JP2023528824A - Tunable nanocircuit and waveguide systems and methods on optical fibers - Google Patents

Tunable nanocircuit and waveguide systems and methods on optical fibers Download PDF

Info

Publication number
JP2023528824A
JP2023528824A JP2022573561A JP2022573561A JP2023528824A JP 2023528824 A JP2023528824 A JP 2023528824A JP 2022573561 A JP2022573561 A JP 2022573561A JP 2022573561 A JP2022573561 A JP 2022573561A JP 2023528824 A JP2023528824 A JP 2023528824A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
waveguide
nanocircuit
optical
plasmonic
nanocoupler
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2022573561A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
ワイ ハワード リー,ホ
Original Assignee
ベイラー ユニバーシティ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ベイラー ユニバーシティ filed Critical ベイラー ユニバーシティ
Publication of JP2023528824A publication Critical patent/JP2023528824A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24Coupling light guides
    • G02B6/26Optical coupling means
    • G02B6/30Optical coupling means for use between fibre and thin-film device
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02042Multicore optical fibres
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/1226Basic optical elements, e.g. light-guiding paths involving surface plasmon interaction
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/002Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24Coupling light guides
    • G02B6/26Optical coupling means
    • G02B6/262Optical details of coupling light into, or out of, or between fibre ends, e.g. special fibre end shapes or associated optical elements
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24Coupling light guides
    • G02B6/26Optical coupling means
    • G02B6/27Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means
    • G02B6/2753Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means characterised by their function or use, i.e. of the complete device
    • G02B6/2773Polarisation splitting or combining

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
  • Optical Fibers, Optical Fiber Cores, And Optical Fiber Bundles (AREA)

Abstract

本開示は、プラズモニクス及びENZ材料を用いた高度な光学応用のためのデバイス、システム、回路、及び効果的な方法を提供する。本開示は、光ファイバ先端ナノ回路における伝搬プラズモンの位相及び振幅の光学的調整能力、非線形光学効果、及び共振ネットワークの向上を提供し、インファイバ応用の調整可能なプラズモニック効果及びENZ効果を統合して、高速動作及び低消費電力を有する光ファイバを提供する。本発明は、光ファイバコアのファセット上にプラズモニック機能ナノ回路を効率的に結合させることができる。また、本発明は、ゲート調整可能なENZ材料を用いて、プラズモニックナノ回路を電気的及び非線形光学的に調整し、高度な光操作を実現することができる。本発明は、光ファイバナノ回路の位相及び振幅の変調のために、電圧調整されたENZ共振を効率的に統合し操作する。The present disclosure provides devices, systems, circuits, and effective methods for advanced optical applications using plasmonics and ENZ materials. The present disclosure provides optical tunability of propagating plasmon phase and amplitude, nonlinear optical effects, and enhanced resonant networks in fiber-tipped nanocircuits, integrating tunable plasmonic and ENZ effects for in-fiber applications to provide optical fibers with high speed operation and low power consumption. The present invention enables efficient coupling of plasmonic functional nanocircuits onto the facets of an optical fiber core. The present invention can also use gate-tunable ENZ materials to electrically and nonlinearly optically tune plasmonic nanocircuits to achieve advanced optical manipulations. The present invention efficiently integrates and manipulates voltage-tuned ENZ resonances for phase and amplitude modulation of fiber optic nanocircuits.

Description

連邦政府出資の研究開発に関するステートメント
該当なし
STATEMENT ON FEDERALLY SPONSORED RESEARCH AND DEVELOPMENT Not Applicable

参照
該当なし
Reference N/A

本開示は、一般的に光ファイバに関する。より具体的には、本開示は、光ファイバ及びプラズモニクス、並びに関連するデバイス、回路、及び方法に関する。 The present disclosure relates generally to optical fibers. More specifically, the present disclosure relates to optical fibers and plasmonics, and related devices, circuits, and methods.

光ファイバは、光を導き、操作する手段の代表例としてよく知られている。光ファイバは、長距離光通信、ファイバレーザを用いた光生成、リモート及び光センシング、内視鏡でのファイバイメージング、ファイバレーザ手術など、様々な応用で幅広く使用されている。計算及び通信技術を向上させるために光学技術の利用が増加した結果、異なる素子及び新規の化合物の組み合わせを含むデバイスの新しい革新的な作製及び統合が行われている。1つの分野では、プラズモニクスを利用して、電子回路の小型化を犠牲にすることなく光学速度を実現するという2つの目標を達成している。プラズモニクスでは、光及び電子の異なる特性、たとえば波動伝搬特性を利用して、粒子特性を重視した応用では不可能な効果を得ることができる。電子を励起してプラズモンを発生させる光の性質を利用したスイッチ及び他のタイプのデバイスなどのコンポーネントを開発することは、実用的なプラズモニック回路の作製に向けた重要なステップとなる。 Optical fibers are well known as a representative means of directing and manipulating light. Optical fibers are widely used in various applications such as long-distance optical communication, light generation with fiber lasers, remote and optical sensing, fiber imaging in endoscopes, and fiber laser surgery. The increased use of optical technology to improve computing and communication technology has resulted in new innovative fabrication and integration of devices involving combinations of different elements and novel chemical compounds. One area uses plasmonics to achieve the dual goal of achieving optical speed without sacrificing the miniaturization of electronic circuits. Plasmonics can take advantage of the different properties of light and electrons, such as wave propagation properties, to achieve effects that are not possible in particle-oriented applications. Developing components such as switches and other types of devices that take advantage of the property of light to excite electrons to generate plasmons is an important step towards making practical plasmonic circuits.

光信号の高速伝送及びデバイスの小型化が絶えず求められているため、オンチップ・フォトニックデバイス及び回路の開発が進められている。しかし、回折限界のため、誘電体フォトニックデバイスは、コンピュータのプロセッサに搭載される半導体コンポーネントと同等のサイズに縮小することはできない。一方、プロセッサ内の電子相互接続は、熱及び抵抗-容量(RC)遅延時間の問題から、速度に限界がある。シリコンフォトニックのような「フォトニック」アプローチは、フォトニクスが広帯域データ伝送、低消費電力、及びクロストークなしの通信を提供するため、チップ間及びオンチップ相互接続の有望な解決策の一つである。しかし、フォトニックデバイスのサイズが回折によって大きく制限されていることは障害となっており、つまり、寸法が波長の半分よりも小さい光導波路では光を導くことができず、ナノメートルスケールのフォトニック回路の開発が強く制限されている。 On-chip photonic devices and circuits are being developed due to the constant demand for high-speed transmission of optical signals and miniaturization of devices. However, due to the diffraction limit, dielectric photonic devices cannot be shrunk to sizes comparable to the semiconductor components found in computer processors. On the other hand, electronic interconnects within the processor are speed limited due to thermal and resistance-capacitance (RC) delay time issues. "Photonic" approaches, such as silicon photonics, are among the promising solutions for chip-to-chip and on-chip interconnections, as photonics offer high-bandwidth data transmission, low power consumption, and crosstalk-free communication. be. However, it is an obstacle that the size of photonic devices is severely limited by diffraction, i.e., optical waveguides with dimensions smaller than half the wavelength cannot guide light, and nanometer-scale photonics cannot Circuit development is severely restricted.

プラズモニクスは、高い光帯域幅を維持しながら回折限界よりも低い導光を実現して、ナノスケール光波処理の異なる解決策を提供する。表面プラズモンポラリトン(プラズモニック波)は、光の回折限界をはるかに下回るナノスケールの光閉じ込めで、金属と誘電体媒質との界面に沿って伝搬する電磁波である。プラズモニックストライプ、ウェッジ、スロット、又はナノワイヤ導波路、スプリッタ、及びマルチプレクサ、相互接続など、チップベースのプラズモニックシステムを構成するために、様々なプラズモニック導波路及びデバイスが実現されている。 Plasmonics offers a different approach to nanoscale lightwave processing, achieving sub-diffraction-limited light guidance while maintaining high optical bandwidth. Surface plasmon polaritons (plasmonic waves) are electromagnetic waves propagating along interfaces between metals and dielectric media in nanoscale optical confinement well below the diffraction limit of light. Various plasmonic waveguides and devices have been implemented to construct chip-based plasmonic systems, such as plasmonic stripe, wedge, slot or nanowire waveguides, splitters and multiplexers, interconnects.

しかしながら、フォトニック機能を維持しながら、回折限界導波路からの光をプラズモニックナノ構造又はナノ回路の高閉じ込めモードに結合させる簡単で効率的な手段は、現在まで存在しない。プラズモニックモードと光ファイバモードとの間の効率的な光結合を得るために、レンズ、プロセッサ、自由空間伝送、散乱光を用いた格子結合及びエンドファイヤ結合、散乱光の収集、並びに他のステップ及びコンポーネントを含むいくつかの試みが行われた。それらの方式は、高度なナノ加工及び光学的位置合わせを必要とし、本発明以前に実証されたシステムは、多機能性を示さない。さらに、外部の電気的/光学的変調によって個々のプラズモニック波の位相及び振幅を任意に制御するアクティブバージョンのプラズモニック回路は、まだ実現されていないマイルストーンのようである。 However, to date there is no simple and efficient means of coupling light from a diffraction-limited waveguide into highly confined modes of plasmonic nanostructures or nanocircuits while preserving photonic functionality. Lenses, processors, free-space transmission, grating and end-fire coupling with scattered light, collection of scattered light, and other steps to obtain efficient optical coupling between plasmonic and optical fiber modes. and several attempts involving components. Their schemes require advanced nanofabrication and optical alignment, and systems demonstrated prior to the present invention do not exhibit versatility. Furthermore, an active version of the plasmonic circuit, with arbitrary control of the phase and amplitude of individual plasmonic waves by external electrical/optical modulation, appears to be a milestone yet to be realized.

プラズモニック素子がファイバと直接相互作用できるように、光ファイバのファセットにプラズモニックコンポーネントを作製する試みがなされた。このような試みは、一般的に、プラズモニックモードをサポートするために、導波路又は回路ではなく、光ファイバの端部を金などの金属でコーティングする。プラズモニック素子は、ファイバ内の十分に導かれる空間モードパターンと直接相互作用することができる。回折格子、光ピンセット、及びプラズモニックセンサなどの小型の光学コンポーネントは、従来のファイバのファセット上の周期的な金属ナノ構造(すなわち、スリット、ホール、及びバー)で実現されている。しかし、これらのファイバ上のプラズモニックナノ構造は、伝搬しない局所的なプラズモンの励起に限定されており、プラズモニック光ファイバの潜在的な応用が制限されている。さらに、報告されたファイバ上のプラズモニック素子の多くが受動的であるため、作製後に光学機能を変更させることはできない。 Attempts have been made to fabricate plasmonic components in the facets of optical fibers so that the plasmonic elements can interact directly with the fibre. Such attempts generally coat the end of the optical fiber, rather than the waveguide or circuit, with a metal such as gold to support the plasmonic mode. A plasmonic element can directly interact with a well-guided spatial mode pattern in the fiber. Miniature optical components such as diffraction gratings, optical tweezers, and plasmonic sensors have been realized with periodic metallic nanostructures (ie, slits, holes, and bars) on the facets of conventional fibers. However, plasmonic nanostructures on these fibers are limited to the excitation of non-propagating local plasmons, limiting the potential applications of plasmonic optical fibers. Furthermore, many of the reported plasmonic on-fiber devices are passive, so their optical function cannot be altered after fabrication.

そのため、処理・伝送能力の向上及び新規の機能を実現するために、新しい材料及び新しいプラズモニックナノ構造を光ファイバに組み込むことが求められている。 Therefore, there is a need to incorporate new materials and new plasmonic nanostructures into optical fibers in order to improve processing and transmission capabilities and enable new functionalities.

本開示は、プラズモニクス及び新規のイプシロンニアゼロ(ENZ)屈折率材料ベースの光ファイバ応用を使用して高度な光学応用を設計するためのデバイス、回路を含むシステム、及び効果的な方法を提供する。本開示は、光ファイバ先端ナノ回路における伝搬プラズモンの位相及び振幅、非線形光学効果、及び共振ネットワークの光学的調整能力の向上を提供し、新規のインファイバ応用のために調整可能なプラズモニック効果及びENZ材料効果を統合する。プラズモニックナノ回路設計とENZ材料特性との光学的及び電気的機能性の統合は、高速動作及び低消費電力を有する光ファイバの機能性を拡張する。本発明では、集束イオンビーム及び電子ビームリソグラフィー技術などを用いて、光ファイバコアのファセット上にプラズモニック機能チップを直接に効率的に結合させることができる。また、本発明は、ゲート調整可能なENZ材料を用いて、プラズモニックナノ構造及び共振導波回路を電気的及び非線形光学的に調整して、高度な光操作を実現することができる。本発明は、オンファイバナノ回路における位相及び振幅の変調のために、電圧調整されたENZ共振を効率的に統合し操作する。プラズモニック構造の位相の柔軟性及び機能性により、フィルタ及び増幅器、直線偏光板、集束レンズ、効率的な光ファイバピンセットなどのインファイバ光学コンポーネントを向上させることができる。 The present disclosure provides devices, systems including circuits, and effective methods for designing advanced optical applications using plasmonics and novel epsilon near-zero (ENZ) refractive index material-based optical fiber applications. . The present disclosure provides improved optical tunability of propagating plasmon phases and amplitudes, nonlinear optical effects, and resonant networks in fiber-tipped nanocircuits, and tunable plasmonic effects and tunables for novel in-fiber applications. Integrate ENZ material effects. The integration of optical and electrical functionality with plasmonic nanocircuit design and ENZ material properties extends the functionality of optical fibers with high speed operation and low power consumption. The present invention allows efficient bonding of plasmonic function chips directly onto the facets of an optical fiber core using techniques such as focused ion beam and electron beam lithography. The present invention can also use gate-tunable ENZ materials to electrically and nonlinearly optically tune plasmonic nanostructures and resonant waveguide circuits to achieve advanced optical manipulations. The present invention efficiently integrates and manipulates voltage-tuned ENZ resonances for phase and amplitude modulation in on-fiber nanocircuits. The phase flexibility and functionality of plasmonic structures can enhance in-fiber optical components such as filters and amplifiers, linear polarizers, focusing lenses, and efficient fiber optic tweezers.

本開示はナノ回路デバイスを提供する。ナノ回路デバイスは、ファセットが形成された第1の光ファイバと、前記ファセット上に一体的に形成されたナノ回路とを備え、前記ナノ回路は、前記第1の光ファイバからの光エネルギーを前記ナノ回路におけるプラズモニックエネルギーと直接結合するように構成されたナノ結合器と、前記ナノ回路に形成され、前記ナノ結合器に結合され、前記ナノ回路におけるプラズモニックエネルギーを伝導するように構成された少なくとも1つの導波路とを備える。 The present disclosure provides nanocircuit devices. The nanocircuit device comprises a first optical fiber having a facet and a nanocircuit integrally formed on the facet, the nanocircuit directing light energy from the first optical fiber to the a nanocoupler configured to directly couple plasmonic energy in a nanocircuit; and a nanocoupler formed in said nanocircuit, coupled to said nanocoupler, and configured to conduct plasmonic energy in said nanocircuit. and at least one waveguide.

さらに、本開示はナノ回路デバイスの製造方法を提供する。方法は、ファセットが形成された光ファイバを提供することと、ファセット上に金属層を堆積させることと、ファセット上の金属層に溝をミリングし、導波路を形成するように構成することと、ファセット上の金属層にナノ結合器をミリングし、光ファイバからの光エネルギーと導波路内のプラズモンエネルギーとを直接結合するよう構成されること、とを含む。 Additionally, the present disclosure provides methods of fabricating nanocircuit devices. The method comprises providing a faceted optical fiber, depositing a metal layer on the facet, milling grooves in the metal layer on the facet and configured to form a waveguide; milling a nanocoupler into the metal layer on the facet and configured to directly couple optical energy from the optical fiber and plasmon energy in the waveguide.

特許又は出願のファイルには、少なくとも1つのカラー図面が含まれる。この特許又は特許出願公開のカラー図面の写しは、請求及び必要な手数料の支払によって、国内官庁から提供される。 The patent or application file contains at least one drawing executed in color. Copies of this patent or patent application publication with color drawing(s) will be provided by the Office upon request and payment of the necessary fee.

本発明によるナノ回路システムの一実施形態の概略図である。1 is a schematic diagram of one embodiment of a nanocircuit system according to the present invention; FIG. 光ファイバのファセット(以下、「先端」ともいう)上に集積型ナノ回路を形成するための作製プロセスの概略図である。1 is a schematic illustration of a fabrication process for forming an integrated nanocircuit on a facet (hereinafter also referred to as "tip") of an optical fiber; FIG. アンテナを有するスロットプラズモニック導波路を有する例示的な光ファイバナノ回路の概略図である。1 is a schematic diagram of an exemplary fiber optic nanocircuit having a slot plasmonic waveguide with an antenna; FIG. 光ファイバモードをプラズモニックスロット導波路モードに結合させるための例示的なアンテナの概略図である。1 is a schematic diagram of an exemplary antenna for coupling an optical fiber mode to a plasmonic slot waveguide mode; FIG. スロット内の光の電界成分を示している、図3Aに示したプラズモニックスロット導波路モードの垂直プロファイルの概略図である。3B is a schematic diagram of the vertical profile of the plasmonic slot waveguide mode shown in FIG. 3A showing the electric field component of the light in the slot; FIG. 光学ファセット上の例示的なプラズモニックスロット導波路ナノ回路のSEM像である。SEM image of an exemplary plasmonic slot waveguide nanocircuit on an optical facet. 図4Aの導波路の拡大SEM像である。4B is an enlarged SEM image of the waveguide of FIG. 4A; 光学ファセット上の他の例示的なプラズモニックスロット導波路のSEM像である。FIG. 4B is an SEM image of another exemplary plasmonic slot waveguide on an optical facet; FIG. 図4Cの導波路の拡大SEM像である。4D is an enlarged SEM image of the waveguide of FIG. 4C; 導波路ナノ回路の光学像及びSEM像を重ね合わせた図である。FIG. 2 is a superimposed optical and SEM image of a waveguide nanocircuit; 導波路と波長1550nmにおける出力とのSEM像である。SEM image of the waveguide and the output at a wavelength of 1550 nm. 導波路と波長1630nmにおける出力とのSEM像である。SEM images of the waveguide and the output at a wavelength of 1630 nm. 1500~1630nmの波長範囲における単一の導波路の例示的な結合効率を示すチャートである。4 is a chart showing exemplary coupling efficiencies for a single waveguide in the wavelength range of 1500-1630 nm; 光ファイバ上のマルチチャネル導波路ナノ回路のSEM像である。SEM images of multi-channel waveguide nanocircuits on optical fibers. 4つの出力信号を示す、測定された遠視野光学像である。4 is a measured far-field optical image showing four output signals; 光ファイバのコア及び出力領域付近の、測定された遠視野光学像の拡大図である。FIG. 4 is a close-up of a measured far-field optical image near the core and output region of an optical fiber; 図6Aのマルチチャネル導波路ナノ回路の拡大SEM像である。FIG. 6B is a magnified SEM image of the multi-channel waveguide nanocircuit of FIG. 6A. 出力アンテナポートを示している、図6Dのマルチチャネル導波路ナノ回路の拡大SEM像である。FIG. 6C is an enlarged SEM image of the multi-channel waveguide nanocircuit of FIG. 6D showing the output antenna ports. 光ファイバのコア付近の入力アンテナを示している、図6Eのマルチチャネル導波路ナノ回路の拡大SEM像である。6E is a magnified SEM image of the multi-channel waveguide nanocircuit of FIG. 6E showing the input antenna near the core of the optical fiber. 偏波保持フォトニック結晶ファイバ(PM-PCF)上に形成された、図6Aの回路と同様のマルチチャネル導波路ナノ回路のSEM像である。6B is an SEM image of a multi-channel waveguide nanocircuit similar to that of FIG. 6A formed on a polarization-maintaining photonic crystal fiber (PM-PCF). 図6Gのマルチチャネル導波路ナノ回路の拡大SEM像である。FIG. 6G is a magnified SEM image of the multi-channel waveguide nanocircuit of FIG. 6G. 光ファイバのコア付近の入力アンテナを示している、図6Hのマルチチャネル導波路ナノ回路の拡大SEM像である。6H is a magnified SEM image of the multi-channel waveguide nanocircuit of FIG. 6H showing the input antenna near the core of the optical fiber. 集積型方向性結合器ナノ回路が作製される前の光ファイバファセットのSEM像である。SEM images of optical fiber facets before the fabrication of integrated directional coupler nanocircuits. 例示的なプラズモニック方向性結合器が作製された後の光ファイバファセットの拡大図である。FIG. 4B is a close-up view of the fiber optic facet after the exemplary plasmonic directional coupler has been fabricated. 図7Bのプラズモニック方向性結合器をさらに拡大した図である。Figure 7C is a further enlarged view of the plasmonic directional coupler of Figure 7B; 1550nmにおける2つの出力を示す、測定された遠視野光学像である。Measured far-field optical images showing two outputs at 1550 nm. 1630nmにおける2つの出力を示す、測定された遠視野光学像である。Measured far-field optical images showing two outputs at 1630 nm. 他の例示的な集積型方向性結合器ナノ回路を有するパンダ型(PS)光ファイバファセットのSEM像である。FIG. 11 is an SEM image of a panda-type (PS) fiber optic facet with another exemplary integrated directional coupler nanocircuit; FIG. 図7Fの例示的なプラズモニック方向性結合器の波長1630nmにおける遠視野測定の重ね合わせ画像である。FIG. 7F is a superimposed image of far-field measurements at a wavelength of 1630 nm for the exemplary plasmonic directional coupler of FIG. 7F. 光学フィルタなしのスーパーコンティニューム(SC)光源レーザを用いた図7Fのプラズモニック方向性結合器の遠視野像である。7F is a far-field image of the plasmonic directional coupler of FIG. 7F using a supercontinuum (SC) source laser without optical filters. 入射光に対して交差偏波で検出された波長1480nmで測定された遠視野光学像である。Far-field optical image measured at a wavelength of 1480 nm detected with cross-polarization to the incident light. 入射光に対して交差偏波で検出された波長1550nmで測定された遠視野光学像である。Far-field optical image measured at a wavelength of 1550 nm detected with cross-polarization to the incident light. 入射光に対して交差偏波で検出された波長1650nmで測定された遠視野光学像である。Far-field optical images measured at a wavelength of 1650 nm detected with cross-polarization to the incident light. 例示的な偏波スプリッタナノ回路のSEM像である。FIG. 4 is an SEM image of an exemplary polarization splitter nanocircuit; FIG. 図8Aの偏波スプリッタの入力アンテナの拡大SEM像である。8B is an enlarged SEM image of the input antenna of the polarization splitter of FIG. 8A; 水平に配列された入力アンテナを有する導波路を通して伝送される水平入射偏波を示している、図8Aの偏波スプリッタの測定された遠視野光学鏡像である。8B is a measured far-field optical mirror image of the polarization splitter of FIG. 8A showing horizontal incident polarization transmitted through a waveguide with a horizontally aligned input antenna; FIG. 垂直に配列された入力アンテナを有する導波路を通して伝送される垂直入射偏波を示している、図8Aの偏波スプリッタの測定された遠視野光学鏡像である。8B is a measured far-field optical mirror image of the polarization splitter of FIG. 8A showing vertical incident polarization transmitted through a waveguide with a vertically aligned input antenna; FIG. 図8Aの偏波スプリッタに示された各導波路について、水平偏波入力及び垂直偏波入力を有するそれぞれの水平又は垂直配列に応じた伝送強度を示すチャートである。8B is a chart showing the transmission strength as a function of horizontal or vertical alignment, respectively, with horizontal and vertical polarization inputs for each waveguide shown in the polarization splitter of FIG. 8A; 図8Aの偏波スプリッタに示された各導波路について、水平面又は垂直面にない回転偏波入力を有するそれぞれの水平又は垂直配列に応じた伝送強度を示すチャートである。8B is a chart showing the transmission strength as a function of respective horizontal or vertical alignments with rotationally polarized input not in the horizontal or vertical plane for each waveguide shown in the polarization splitter of FIG. 8A; 平面基板上に作製された例示的な共振導波ネットワーク(RGWN)ナノ回路のSEM像を示す図である。FIG. 10 is an SEM image of an exemplary resonant waveguide network (RGWN) nanocircuit fabricated on a planar substrate; 波長1570nmにおける出力を示している、共振サイズ7.5μmのRGWNの測定光学像である。4 is a measured optical image of an RGWN with a resonance size of 7.5 μm, showing the output at a wavelength of 1570 nm. 図8BのRGWNの波長1550nmにおける出力の測定光学像である。FIG. 8C is a measured optical image of the output of the RGWN of FIG. 8B at a wavelength of 1550 nm. 作製されたサイズの異なるRGWNのSEM像である。Fig. 4 is an SEM image of fabricated RGWNs of different sizes; 共振器サイズが300nmの超小型RGWNナノ回路の例示的な実施形態に関するSEM像である。SEM image of an exemplary embodiment of an ultra-small RGWN nanocircuit with a cavity size of 300 nm. 図10AのRGWNの測定光学像である。10B is a measurement optical image of the RGWN of FIG. 10A; 共振器サイズが7.5μmのRGWNの他の例示的な実施形態のSEM像である。FIG. 4B is an SEM image of another exemplary embodiment of an RGWN with a cavity size of 7.5 μm; FIG. 図10CのRGWNのポート1についての例示的な測定スペクトル及びシミュレーションスペクトルを示すチャートである。10D is a chart showing exemplary measured and simulated spectra for Port 1 of the RGWN of FIG. 10C; 図10CのRGWNのポート2についての例示的な測定スペクトル及びシミュレーションスペクトルを示すチャートである。10D is a chart showing exemplary measured and simulated spectra for port 2 of the RGWN of FIG. 10C; 図10CのRGWNのポート4についての例示的な測定スペクトル及びシミュレーションスペクトルを示すチャートである。10D is a chart showing exemplary measured and simulated spectra for port 4 of the RGWN of FIG. 10C; 調整可能なRGWNナノ回路の一例の概略図である。1 is a schematic diagram of an example of a tunable RGWN nanocircuit; FIG. 対応する透明導電性酸化物(TCO)導波路の概略図である。Fig. 2 is a schematic diagram of a corresponding transparent conducting oxide (TCO) waveguide; バイアスを印加した場合のシミュレーション応答を示す図である。FIG. 11 shows a simulated response when bias is applied; 超高速のスイッチング能力を示している、バイアスを印加していない場合のシミュレーション応答を示す図である。Fig. 10 shows a simulation response with no bias applied, demonstrating ultra-fast switching capability; 非線形光スイッチングのための例示的な調整可能なENZ/プラズモニック方向性結合器ナノ回路の概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of an exemplary tunable ENZ/plasmonic directional coupler nanocircuit for nonlinear optical switching; 図11Aの方向性結合器の例示的な対応するTCO導波路の概略図である。11B is a schematic diagram of an exemplary corresponding TCO waveguide of the directional coupler of FIG. 11A; FIG. 低励起パワーのENZ/プラズモニック方向性結合器のシミュレートされたフィールドプロファイルを示す図である。Fig. 3 shows a simulated field profile of a low pump power ENZ/plasmonic directional coupler; 高励起パワーのENZ/プラズモニック方向性結合器のシミュレートされたフィールドプロファイルを示す図である。Fig. 3 shows a simulated field profile of an ENZ/plasmonic directional coupler with high pump power; シングルモードコアを有する光ファイバ、光ファイバ先端上のナノ回路、及びマルチコア光ファイバを有する、調整可能な光ファイバENZナノ回路の例示的な実施形態を示す概略図である。1A-1C are schematic diagrams illustrating exemplary embodiments of a tunable optical fiber ENZ nanocircuit having an optical fiber with a single-mode core, a nanocircuit on the tip of the optical fiber, and a multi-core optical fiber. シングルモードコアを有する調整可能な光ファイバENZナノ回路の他の例示的な実施形態を示す概略図である。FIG. 10 is a schematic diagram illustrating another exemplary embodiment of a tunable optical fiber ENZ nanocircuit with a single mode core; ナノ回路に複数の入力を提供するためのマルチコアファイバを有する例示的な調整可能な光ファイバENZナノ回路を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing an exemplary tunable fiber optic ENZ nanocircuit with multi-core fibers for providing multiple inputs to the nanocircuit; 光ファイバプラズモニック導波路センサの概略図である。1 is a schematic diagram of a fiber optic plasmonic waveguide sensor; FIG. 図14Aのナノ構造の拡大図である。14B is an enlarged view of the nanostructures of FIG. 14A. FIG. 長い相互作用長を有する光ファイバに作製された構造の一例を示す図である。FIG. 3 shows an example of a structure fabricated in an optical fiber with long interaction length;

上記の図及び以下の具体的な構造及び機能に関する説明は、出願人が発明した範囲又は添付の請求項の範囲を制限するために提示されたものではない。むしろ、図及び書面の説明は、特許保護を求める発明を製造及び使用することを当業者に教示するために提供されるものである。当業者は、明瞭さと理解のために、本発明の商業的な実施形態のすべての特徴が説明又は示されているわけではないことを理解するであろう。本技術分野の当業者は、本開示の態様を組み込んだ実際の商業的実施形態の開発が、商業的実施形態に対する開発者の最終目標を達成するために、多数の実装特有の決定を必要とすることも理解するであろう。そのような実装固有の決定は、システム関連、ビジネス関連、政府関連、及び他の制約を遵守することを含み、おそらくこれらに限定されないが、これらは特定の実装又は場所によって、又は時間によって変化し得るものである。開発者の努力は、絶対的な意味で複雑で時間がかかるかもしれないが、そのような努力は、それでも、この開示の利益を有するこの技術分野の通常の当業者にとっては、日常的な仕事であるだろう。本明細書に開示され教示された発明は、多数の様々な修正及び代替形態に影響を受け得ることを理解しなければならない。限定されないが、「a」のような単数形の用語の使用は、品目の数を限定することを意図していない。さらに、本システムの様々な方法及び実施形態は、開示された方法及び実施形態のバリエーションを生成するために、互いに組み合わせて含まれることが可能である。単数形の要素の議論は、複数形の要素を含むことができ、その逆もまた可能である。少なくとも1つの項目への言及は、1つ又は複数の項目を含むことができる。また、実施形態の様々な態様は、本開示の理解された目標を達成するために、互いに組み合わせて使用され得る。文脈が他に要求しない限り、用語「備える(comprise)」又は「備えている(comprising)」などの変形は、少なくとも記載された要素もしくはステップ又は要素もしくはステップのグループ又はその等価物を含むことを意味し、より大きな数値量又は他の要素又はステップ又は要素もしくはステップのグループ又はその等価物を除外しないものと理解されるべきである。「結合」、「カップリング」、「結合器」等の用語は、本明細書において広範に使用され、固定、結合、締結、取り付け、接合、そこに挿入、その上又はその中に形成、通信、又はその他の方法で関連付けるための任意の方法又は装置、例えば機械的、磁気的、電気的、化学的、作動的に、直接又は中間要素と共に、1個又は複数の部材の部分を一緒に結合し、さらに限定的ではないが、ある機能部材と他のものを一体的に形成することも含む場合がある。結合は、回転を含む任意の方向で発生してもよい。装置又はシステムは、多数の方向及び向きで使用されてもよい。ステップの順序は、特に限定されない限り、様々な順序で発生することができる。本明細書に記載された様々なステップは、他のステップと組み合わせることができ、記載されたステップを間に挟むことができ、及び/又は複数のステップに分割することができる。いくつかの要素は、簡略化のために装置名で指名され、プロセッサが当業者に知られている関連する構成要素の処理システムを包含するようなシステム又はセクションを含むと理解されるであろうし、具体的に記載されないかもしれない。様々な機能を実行し、形状、サイズ、説明において非限定的であるが、本明細書に含まれる教示を与えられた当業者に知られるように変化させることができる例示的構造として役立つ様々な例が、説明及び図において提供される。 The above figures and the following descriptions of specific structures and functions are not provided to limit the scope of applicant's invention or the scope of the appended claims. Rather, the figures and written description are provided to teach one of ordinary skill in the art to make and use the invention for which patent protection is sought. Those skilled in the art will appreciate that not all features of a commercial embodiment of the invention have been described or shown for the sake of clarity and understanding. Those skilled in the art will appreciate that the development of an actual commercial embodiment incorporating aspects of the present disclosure requires numerous implementation-specific decisions in order to achieve the developer's ultimate goal for the commercial embodiment. You will also understand that Such implementation-specific decisions may include, but are not limited to, compliance with system-related, business-related, government-related, and other constraints, which may vary by particular implementation or location, or over time. It is what you get. Although the developer effort may be in the absolute sense complex and time consuming, such effort is nevertheless a routine undertaking for those of ordinary skill in the art having the benefit of this disclosure. would be It should be understood that the inventions disclosed and taught herein are susceptible to numerous and various modifications and alternative forms. The use of singular terms such as, but not limited to, "a" is not intended to limit the number of items. Moreover, various methods and embodiments of the system can be included in combination with each other to produce variations of the disclosed methods and embodiments. Discussion of singular elements may include plural elements and vice versa. A reference to at least one item may include one or more items. Also, various aspects of the embodiments may be used in combination with each other to achieve the perceived goals of the present disclosure. Unless the context requires otherwise, the terms "comprise" or variations such as "comprising" are intended to include at least the recited element or step or group of elements or steps or equivalents thereof. means and does not exclude larger numerical quantities or other elements or steps or groups of elements or steps or their equivalents. Terms such as "coupling", "coupling", "coupler" are used broadly herein to secure, couple, fasten, attach, join, insert therein, form on or in, communicate with. , or any method or device for otherwise associating, e.g., mechanically, magnetically, electrically, chemically, operatively, directly or with intermediate elements, joining together portions of one or more members and may include, but is not limited to, integrally forming one functional member with another. Coupling may occur in any orientation, including rotation. A device or system may be used in multiple directions and orientations. The order of steps can occur in various orders, unless otherwise specified. Various steps described herein may be combined with other steps, interleaved with described steps, and/or divided into multiple steps. Some elements are named by device name for brevity and will be understood to include systems or sections such that the processor encompasses related component processing systems known to those skilled in the art. , may not be specified. Various structures that perform various functions and are non-limiting in shape, size and description, but serve as exemplary structures that can be varied as would be known to one of ordinary skill in the art given the teachings contained herein. Examples are provided in the description and figures.

一般に、本開示は、プラズモニクスを用いた高度な光学応用及び新規のENZ材料ベースの光ファイバ応用を設計するための効果的な方法を提供する。本発明は、少なくとも1つの態様において、高度な光操作及び通信のために、光ファイバ先端に光電子調整可能なプラズモニックナノ回路及びデバイスを統合するものである。本発明は、集束イオンビーム及び電子ビームリソグラフィー技術を含む様々な技術によって、光ファイバコアのファセット上に直接プラズモニック機能チップを効率的に結合することができる。また、ゲート調整可能なENZ材料を用いて、プラズモニックナノ構造及び共振導波回路を電気的及び非線形光学的に調整し、高度な光操作を可能にすることができる。 In general, the present disclosure provides effective methods for designing advanced optical applications using plasmonics and novel ENZ material-based optical fiber applications. The present invention, in at least one aspect, integrates opto-electronically tunable plasmonic nanocircuits and devices onto optical fiber tips for advanced optical manipulation and communications. The present invention enables efficient bonding of plasmonic function chips directly onto the facets of an optical fiber core by a variety of techniques, including focused ion beam and electron beam lithography techniques. Gating-tunable ENZ materials can also be used to electrically and nonlinearly optically tune plasmonic nanostructures and resonant waveguide circuits to enable advanced optical manipulation.

本発明では、光操作のためにプラズモニックナノ回路を有する光ファイバ先端を製造することができる。しかし、以前に報告された既知のプラズモニック構造は、局所的なプラズモニクスの励起に限られているため、プラズモニック波の操作のための能力が制限され、結果としてナノ構造増強型のプラズモニック光ファイバの機能性が制限されている。本発明は、プラズモニック光ファイバの機能を高度化するための調整能力を有する高性能のプラズモニックナノ回路を提供することができる。 In the present invention, optical fiber tips can be fabricated with plasmonic nanocircuits for light manipulation. However, previously reported known plasmonic structures are limited to local plasmonics excitation, which limits their capabilities for manipulation of plasmonic waves, resulting in nanostructure-enhanced plasmonic light. Fiber functionality is limited. The present invention can provide high performance plasmonic nanocircuits with tunability to enhance the functionality of plasmonic optical fibers.

図1は、本発明によるナノ回路システムの一実施形態の概略図である。図1は、ファセット8を有するコア6を少なくとも1つ有する光ファイバ4を有するナノ回路システム2を示している。ナノ回路10は、光ファイバファセット8上に形成されるため、ファセットと結合するために光ファイバと一体になり、光ファイバ4はナノ回路に入力エネルギーを提供する。少なくともいくつかの実施形態では、他の光ファイバ12がナノ回路に結合されて、ナノ回路からエネルギーを受け取り、光ファイバ12における1つ以上の出力ポート14を通してエネルギーを放出する。例示的なナノ回路10A~10Fは、ナノ回路10の拡大図に示されている。限定されないが、そのような例は、変調器/導波器10A、光分配器10B、方向性結合器/逆多重器10C、導波共振器/ルータ10D、偏波結合器10E、及び複合構造10Fを含むことができる。本開示は、光スイッチング、多重化/逆多重化、方向性結合、ルーティング、及び共振/センシング効果などの機能を提供することができる調整可能なナノ回路を提供する。本明細書において、「ナノ」という用語は、1000nmまで、より詳細には数百nmまでの個々のデバイスを含むことを意味する。これらの調整可能なナノ回路光ファイバ先端は、新規の通信及び光学的及び/又は生物学的センシングデバイスをもたらすことができる。本開示は、ギャッププラズモニック導波路、マルチチャネルプラズモニック導波路、プラズモニック方向性結合器、及び共振導波ネットワークなど、複雑なプラズモニックナノ回路を、光ファイバのファセットであるファセット上に直接提供するものである。ナノ回路は、例えば集束イオンビームミリング及び電子ビームリソグラフィー技術を使用して、ファセット上に製造することができる。ファセット上の材料の堆積は、原子層堆積(ALD)技術を使用して、プラズモニックナノ回路のための、例えば透明導電性酸化物(TCO)又は金属窒化物イプシロンニアゼロ(ENZ)材料を堆積させることを含み得る。ENZ材料を使用して、光ファイバ回路でゲート調整可能なENZモードを効率的に励起することができる。電気バイアスは、多機能性を達成するために、ファイバ上のプラズモニック/ENZナノ構造を能動的に制御することができる。本開示はまた、効率的な非線形光スイッチング及び操作のために増強されたENZ非線形性の特徴を利用してプラズモニック/ENZハイブリッド回路を制御することを提供する。本発明は、電子的及び光学的スイッチング機能を利用して、光ネットワーク、並びに光ファイバ先端に統合されるルーティング及び機能デバイスを設計することができる。さらに、本開示は、プラズモニック/ENZナノ回路を有する導電性酸化物/金属窒化物活性層において、ENZモードでエミッタ/分子を励起することによって、量子及びラマン放出効果を高めることを提供する。本開示で教示される基礎原理の結果は、いくつかの非限定的な例で示すことができる。 FIG. 1 is a schematic diagram of one embodiment of a nanocircuit system according to the present invention. FIG. 1 shows a nanocircuit system 2 having an optical fiber 4 with at least one core 6 with facets 8 . The nanocircuit 10 is formed on an optical fiber facet 8 so that it is integral with the optical fiber for coupling to the facet and the optical fiber 4 provides input energy to the nanocircuit. In at least some embodiments, another optical fiber 12 is coupled to the nanocircuit to receive energy from the nanocircuit and emit energy through one or more output ports 14 in optical fiber 12 . Exemplary nanocircuits 10A-10F are shown in enlarged view of nanocircuit 10. FIG. Non-limiting examples of such include modulators/directors 10A, optical splitters 10B, directional couplers/demultiplexers 10C, waveguide resonators/routers 10D, polarization couplers 10E, and composite structures. 10F can be included. The present disclosure provides tunable nanocircuits that can provide functions such as optical switching, multiplexing/demultiplexing, directional coupling, routing, and resonance/sensing effects. As used herein, the term "nano" is meant to include individual devices down to 1000 nm, more specifically up to several hundred nm. These tunable nanocircuit fiber optic tips can lead to novel communication and optical and/or biological sensing devices. The present disclosure provides complex plasmonic nanocircuits, such as gap plasmonic waveguides, multichannel plasmonic waveguides, plasmonic directional couplers, and resonant waveguide networks, directly on the facets of optical fibers. It is something to do. Nanocircuits can be fabricated on facets using, for example, focused ion beam milling and electron beam lithography techniques. Deposition of materials on the facets uses atomic layer deposition (ALD) techniques to deposit, for example, transparent conductive oxide (TCO) or metal nitride epsilon near-zero (ENZ) materials for plasmonic nanocircuits. can include allowing ENZ materials can be used to efficiently excite gateable ENZ modes in optical fiber circuits. Electrical bias can actively control the plasmonic/ENZ nanostructures on the fiber to achieve multifunctionality. The present disclosure also provides for controlling plasmonic/ENZ hybrid circuits utilizing enhanced ENZ nonlinearity features for efficient nonlinear optical switching and manipulation. The present invention can take advantage of electronic and optical switching functions to design optical networks, as well as routing and functional devices integrated into the ends of optical fibers. Further, the present disclosure provides enhanced quantum and Raman emission effects by exciting emitters/molecules in ENZ modes in conductive oxide/metal nitride active layers with plasmonic/ENZ nanocircuits. The results of the underlying principles taught in this disclosure can be illustrated with some non-limiting examples.

この最適化された構成により、嵩張る光学コンポーネントを必要とせず、光ファイバからプラズモニックナノ回路への直接結合が提供される。この能力により、チップ-チップ構成、さらにはファイバ-チップ構成の必要性が低減し、これらの集積回路をファイバファセット上に直接結合する方向へ進む。本開示は、ファイバ先端上のプラズモニックナノ回路で構成される小型のインファイバデバイスを提供する。これらのデバイスは、フォトニック集積回路(PIC)(「集積型光回路」とも呼ばれる)の複雑さを潜在的に低減し、プラズモニックナノ回路内の信号処理のためのナノ回路への光結合及びナノ回路からの光結合を可能にする独立型光学システムを提供する。本明細書で提供される実施形態は、回路のパターニングがどのようにファイバ上の小型の光回路を組み込むかを例示するために、光ファイバの先端上のユニークなプラズモニックネットワークのためのファイバファセットにおける作製技術を示している。 This optimized configuration provides direct coupling from optical fibers to plasmonic nanocircuits without the need for bulky optical components. This capability reduces the need for chip-to-chip and even fiber-to-chip configurations and moves toward coupling these integrated circuits directly onto fiber facets. The present disclosure provides miniature in-fiber devices composed of plasmonic nanocircuits on fiber tips. These devices potentially reduce the complexity of photonic integrated circuits (PICs) (also called “integrated optical circuits”), optical coupling to nanocircuits for signal processing within plasmonic nanocircuits, and A stand-alone optical system is provided that enables optical coupling from nanocircuits. Embodiments provided herein provide fiber facets for unique plasmonic networks on the tip of an optical fiber to illustrate how circuit patterning incorporates miniature optical circuits on fiber. shows the fabrication technology in

図2は、光ファイバのファセット(本明細書では、「先端」とも称する)上に集積型ナノ回路を作成するための作製プロセスの概略図である。例えば、偏波保持フォトニック結晶ファイバ(PCF)及びパンダ型(PS)光ファイバ4は、これらのナノ回路に使用することができる。最初にファセット8を劈開し、金層のような厚さが約200nmの金属層などの導電層16を、10-3トルのチャンバ圧力を有するRFマグネトロンスパッタリング機又は熱蒸発技術を用いてファイバのファセット上に堆積させることができる。ナノ回路10のさらなる加工及び作製のために、金が堆積されたファイバ4を、デュアルビーム集束イオンビーム走査電子顕微鏡(FIB-SEM)又は他の適切な加工システム18に持ち込むことができる。ファイバは、ファイバの先端が断面上で平らになり、ファイバが傾かないように、垂直にホルダに取り付けることができる。ファイバファセットは、ファイバのコアの中心が選択された設計パターンに相関するように配置することができる。 FIG. 2 is a schematic illustration of a fabrication process for creating integrated nanocircuits on the facet (also referred to herein as the “tip”) of an optical fiber. For example, polarization-maintaining photonic crystal fibers (PCF) and Panda-type (PS) optical fibers 4 can be used in these nanocircuits. First, the facets 8 are cleaved and a conductive layer 16, such as a metal layer about 200 nm thick, such as a gold layer, is deposited on the fiber using an RF magnetron sputtering machine with a chamber pressure of 10 −3 Torr or a thermal evaporation technique. It can be deposited on the facet. The gold-deposited fiber 4 can be brought into a dual beam focused ion beam scanning electron microscope (FIB-SEM) or other suitable processing system 18 for further processing and fabrication of the nanocircuit 10 . The fiber can be mounted vertically in the holder so that the tip of the fiber is flat on the cross section and the fiber is not tilted. The fiber facets can be arranged such that the center of the core of the fiber correlates to the selected design pattern.

ナノ回路は、例えば、従来のパンダ型偏波保持光ファイバにパターニングすることができる。このファイバは、高屈折率材料の2つの大きなローブが、中実のコアの両側を取り囲んでいる。また、偏波保持型PCF(PM-PCF)を含むフォトニック結晶ファイバ(PCF)もその一例である。光ファイバは、集束イオンビーム(FIB)によりミリングすることができる。電子ビームリソグラフィーは、小さな特徴サイズ(例えば、<100nm)のナノ構造を作製するために使用することもできる。FIB内のGa+イオン流は、光ファイバ上のナノ構造を直接ミリングするために使用することができる。30kVの印加電圧及び10pAのイオンビーム電流は、作製プロセスに使用することができる。 Nanocircuits can be patterned, for example, in conventional Panda-type polarization-maintaining optical fibers. This fiber has two large lobes of high index material surrounding a solid core on either side. Photonic crystal fibers (PCFs), including polarization-maintaining PCFs (PM-PCFs), are also examples. Optical fibers can be milled with a focused ion beam (FIB). E-beam lithography can also be used to fabricate nanostructures with small feature sizes (eg, <100 nm). Ga+ ion currents in FIBs can be used to directly mill nanostructures on optical fibers. An applied voltage of 30 kV and an ion beam current of 10 pA can be used for the fabrication process.

図3A~3Cは、光ファイバモードとプラズモニックスロット導波路モードとをアンテナで効率的に結合するための概略図及び電子顕微鏡写真を示す図である。図3Aは、スロットプラズモニック導波路を有する例示的な光ファイバナノ回路の概略図である。図3Bは、光ファイバモードをプラズモニックスロット導波路モードに結合させるための例示的なアンテナの概略図である。図3Cは、スロット内の光の電界成分を示している、図3Aに示したプラズモニックスロット導波路モードの垂直プロファイルの概略図である。導電層16をミリングして、層内にスロット20を形成することができる。図3Bに示されるアンテナ22は、電磁信号を光として光ファイバを通してプラズモニックスロット導波路に効率的に結合し、狭い指向性を達成するために使用され得る。図示しないが、プラズモニック格子結合器、プラズモニック導波路テーパ、及びナノ粒子結合器など、他のナノ結合器を用いることもできる。アンテナは、高い効率でモードを変換することができる。ボウタイアンテナは10%の結合効率を有することが示されている。八木・宇田アンテナは、45%の結合効率と、スロット導波路から空気及び基板への60%の放射効率を有することが示されており、本明細書の例示的なナノ回路に一般的に使用されている。製作された八木・宇田アンテナの相対的な寸法は、図3Bから見ることができ、2つのダイポールアンテナコンポーネント間のギャップ及び導波路の幅は、それぞれ80nm及び300nmという意図した設計に近い。このアンテナ結合により、従来の複雑なプリズム結合を行うことなく、前方伝搬コアモードをプラズモニックナノ構造に直接結合させることができる。空気及びシリカからのシリカで覆われたAu導波路の結合効率は、それぞれ15%及び45%であり得る。このようなアンテナのコンポーネントは、それぞれが給電素子を介してプラズモニック導波路スロットに接続されている2つのダイポールアンテナを含む。ダイポールアンテナの背面には受動素子の反射板があり、導波路への給電メカニズムがさらに向上される。アンテナの長さは、アンテナが1550nmで最大の結合効率を有するように選択することができる。少なくとも1つの実施形態では、ファイバのコア領域の近くにナノ回路を作製することによって、ファイバのコア光をプラズモニックスロット導波路に結合させることができる。対称結合のために、厚さが400nmなどの厚いシリカガラス層22を構造体の上に堆積させる。 3A-3C are schematic diagrams and electron micrographs for efficiently coupling an optical fiber mode and a plasmonic slot waveguide mode with an antenna. FIG. 3A is a schematic diagram of an exemplary fiber optic nanocircuit with slot plasmonic waveguides. FIG. 3B is a schematic diagram of an exemplary antenna for coupling an optical fiber mode to a plasmonic slot waveguide mode. FIG. 3C is a schematic diagram of the vertical profile of the plasmonic slot waveguide mode shown in FIG. 3A showing the electric field component of the light within the slot. Conductive layer 16 may be milled to form slots 20 in the layer. The antenna 22 shown in FIG. 3B can be used to efficiently couple an electromagnetic signal as light through an optical fiber into a plasmonic slot waveguide to achieve narrow directivity. Although not shown, other nanocouplers such as plasmonic grating couplers, plasmonic waveguide tapers, and nanoparticle couplers can also be used. The antenna can convert modes with high efficiency. Bowtie antennas have been shown to have a coupling efficiency of 10%. The Yagi-Uda antenna has been shown to have a coupling efficiency of 45% and a radiation efficiency of 60% from the slot waveguide to air and substrate, and is commonly used for the exemplary nanocircuits herein. It is The relative dimensions of the fabricated Yagi-Uda antenna can be seen from FIG. 3B, where the gap and waveguide width between the two dipole antenna components are close to the intended design of 80 nm and 300 nm, respectively. This antenna coupling allows the forward-propagating core mode to be directly coupled to the plasmonic nanostructure without the complex prism coupling of the prior art. The coupling efficiencies of silica covered Au waveguides from air and silica can be 15% and 45%, respectively. A component of such an antenna includes two dipole antennas each connected to a plasmonic waveguide slot via a feed element. Behind the dipole antenna is a passive element reflector that further enhances the feeding mechanism to the waveguide. The antenna length can be chosen such that the antenna has maximum coupling efficiency at 1550 nm. In at least one embodiment, fiber core light can be coupled into a plasmonic slot waveguide by fabricating nanocircuits near the core region of the fiber. For symmetrical coupling, a thick silica glass layer 22, such as 400 nm thick, is deposited over the structure.

その後、遠視野測定装置でサンプルを測定することができる。測定された光学像は、出力アンテナからの放射光のかなりの量の検出を示している。これは、図3Cに示すプラズモニックスロット導波路における表面プラズモンポラリトン(SPP)導波モードの良好な結合及び伝搬を意味している。 The sample can then be measured with a far-field measuring device. The measured optical image shows detection of a significant amount of emitted light from the output antenna. This implies good coupling and propagation of surface plasmon polariton (SPP) guided modes in the plasmonic slot waveguide shown in FIG. 3C.

図4Aは、光学ファセット上の例示的なプラズモニックスロット導波路ナノ回路のSEM像である。図4Bは、図4Aの導波路の拡大SEM像である。図4Cは、光学ファセット上の他の例示的なプラズモニックスロット導波路のSEM像である。図4Dは、図4Cの導波路の拡大SEM像である。図4A~4Dは、ファセット8上の導波路ナノ回路10Aを示し、例として、従来の偏波保持(PM)光ファイバ4上又はPMフォトニック結晶ファイバ上に形成することができる。90°曲げは、放射アンテナの導波路モード偏波を変えるために使用されるため、所望の出力信号の信号対雑音比が良好な交差偏波遠視野イメージングを可能にする(前方伝搬入射光を抑制する)。PCFは、ナノ加工時及び光学測定時にプラズモニック導波路/アンテナの位置合わせを確保するために使用される。遠視野測定により、コアモードからの光がプラズモニック導波路モードと効率的に結合でき、面内プラズモニックモードが直交出力偏波で放射アンテナ内を伝搬し放射できることは示されている。アンテナ方向と直交する入力コア偏波の場合、放射アンテナから放射される光がほとんど又は全くないため、プラズモニックモードと目的の偏波状態との結合が示されている。従来のシングルモードファイバ及びフォトニック結晶ファイバの一般的なコア径は約4~6μmで、八木・宇田アンテナのサイズは約1μmである。コアモード領域全体を効率的に利用するために、本発明では、複数の入力アンテナを有する複数の複雑な構造を含むことができる。複数の入力を有する洗練されたナノ構造により、プラズモニックナノ回路への総結合効率を大幅に向上させることができる。 FIG. 4A is an SEM image of an exemplary plasmonic slot waveguide nanocircuit on an optical facet. FIG. 4B is an enlarged SEM image of the waveguide of FIG. 4A. FIG. 4C is an SEM image of another exemplary plasmonic slot waveguide on an optical facet. FIG. 4D is an enlarged SEM image of the waveguide of FIG. 4C. 4A-4D show waveguide nanocircuits 10A on facets 8, which can be formed on conventional polarization-maintaining (PM) optical fibers 4 or on PM photonic crystal fibers, by way of example. The 90° bend is used to change the waveguide mode polarization of the radiating antenna, thus enabling cross-polarized far-field imaging with good signal-to-noise ratio of the desired output signal (forward propagating incident light inhibit). PCFs are used to ensure plasmonic waveguide/antenna alignment during nanofabrication and optical measurements. Far-field measurements have shown that light from the core mode can couple efficiently with the plasmonic waveguide mode, and that the in-plane plasmonic mode can propagate and radiate in the radiating antenna with orthogonal output polarizations. For an input core polarization orthogonal to the antenna direction, little or no light is emitted from the radiating antenna, indicating coupling of the plasmonic mode with the desired polarization state. Typical core diameters for conventional single-mode fibers and photonic crystal fibers are about 4-6 μm, and the size of Yagi-Uda antennas is about 1 μm. To efficiently utilize the entire core mode region, the present invention can include multiple complex structures with multiple input antennas. Sophisticated nanostructures with multiple inputs can greatly improve the overall coupling efficiency to plasmonic nanocircuits.

図5A~5Dは、波長1550nm及び1630nmでのプラズモニックスロット導波路ナノ回路における入射光の例示的なNIR光学カメラ画像及び関連する応答を示す図である。図5Aは、導波路ナノ回路の光学像及びSEM像の重ね合わせ図である。図5Bは、導波路及び波長1550nmにおける出力のSEM像である。図5Cは、導波路及び波長1630nmにおける出力のSEM像である。図5Dは、1500~1630nmの波長範囲における単一の導波路の例示的な結合効率を示すチャートである。図5Aにおいて、例示的な単一の導波路10Aは、入力ポート32において入力アンテナ26からの光を結合して、出力ポート34において出力アンテナ28からの光をコアの外側のクラッドで放射する。図5Bにおいて、1550nmでは、出力光は入力光よりも明るい。図5Cにおいて、1630nmでは、入力光は出力光よりも明るい。ファセットの近赤外線(NIR)画像は、1500~1630nmの範囲で5nmの刻み幅で記録される。そして、結合出力アンテナのこれらの画像は、同じ入力レーザパワーで同様の長さのブランクPSファイバの画像に正規化される。この正規化されたデータは、図5Dに示すように、1500~1630nmの波長範囲における単一の導波路の結合効率を示す。この結果は、例示した単一の導波路の総効率(入出力結合、曲げ損失、伝搬損失を含む)が、1500~1630nmの波長範囲で約0.2%であると測定されることを示している。 5A-5D show exemplary NIR optical camera images and associated responses of incident light in a plasmonic slot waveguide nanocircuit at wavelengths 1550 nm and 1630 nm. FIG. 5A is an overlay of optical and SEM images of waveguide nanocircuits. FIG. 5B is an SEM image of the waveguide and output at a wavelength of 1550 nm. FIG. 5C is an SEM image of the waveguide and output at a wavelength of 1630 nm. FIG. 5D is a chart showing exemplary coupling efficiencies for a single waveguide in the wavelength range of 1500-1630 nm. In FIG. 5A, the exemplary single waveguide 10A couples light from input antenna 26 at input port 32 and radiates light from output antenna 28 at output port 34 in the outer cladding of the core. In FIG. 5B, at 1550 nm, the output light is brighter than the input light. In FIG. 5C, at 1630 nm, the input light is brighter than the output light. Near-infrared (NIR) images of the facets are recorded in the range 1500-1630 nm with a step size of 5 nm. These images of the coupled output antenna are then normalized to images of a blank PS fiber of similar length with the same input laser power. This normalized data shows the coupling efficiency of a single waveguide in the wavelength range of 1500-1630 nm, as shown in FIG. 5D. The results show that the total efficiency (including input/output coupling, bend loss, and propagation loss) of the single exemplified waveguide is measured to be about 0.2% in the wavelength range of 1500-1630 nm. ing.

図6A~6Iは、フォトニック結晶ファイバ及びPM-PCFファイバ上に作製された例示的なプラズモニックマルチチャネル導波路構造を示す図である。図6Aは、フォトニック結晶ファイバの光ファイバファセット8上のマルチチャネル導波路ナノ回路のSEM像である。図6Bは、4つの出力信号を示す、測定された遠視野光学像である。図6Cは、光ファイバのコア及び出力領域付近の画像である。この例は、4つの同一の入力アンテナ26と、異なる長さ(15、12、9、6μm)を有する4つの個別の導波路30とを有するナノ回路10Aを示している。測定された光学像は、図6B及び図6Cに示すように、光ファイバコアモードが、4つの個別のプラズモニック導波路に結合され、分配され、最も短い導波路が最も高い出力強度を有し、導波路の長さが長くなるにつれて強度が徐々に低下することは示されている。測定されたプラズモニック導波路の損失は、波長1550nmで約0.45dB/μmである(異なる導波路の長さでの透過スペクトル測定による)。八木・宇田アンテナは、パラメータ(長さ、幅、ギャップのサイズなど)を設計することで、結合効率を最大にすることができる。全波電磁3次元シミュレーションは、6μmのコアモードからスロット幅300nmの単一のプラズモニック導波路まで(最適化されていないアンテナの場合)約6%の結合効率が達成できることを示している。例えば、4つ又は5つの入力アンテナを統合することで、約30%の結合効率が得られ、アンテナ及びコアの形状を最適化することで50%を超える結合効率を得る可能性があり、光ファイバ先端上の効率的なプラズモニックシステムが得られる。 6A-6I illustrate exemplary plasmonic multi-channel waveguide structures fabricated on photonic crystal fiber and PM-PCF fiber. FIG. 6A is an SEM image of a multi-channel waveguide nanocircuit on a fiber optic facet 8 of a photonic crystal fiber. FIG. 6B is a measured far-field optical image showing four output signals. FIG. 6C is an image near the core and output region of the optical fiber. This example shows a nanocircuit 10A with four identical input antennas 26 and four separate waveguides 30 with different lengths (15, 12, 9, 6 μm). The measured optical images show that the optical fiber core modes are coupled and distributed into four separate plasmonic waveguides, with the shortest waveguide having the highest output intensity, as shown in FIGS. 6B and 6C. , showing a gradual decrease in intensity with increasing waveguide length. The measured plasmonic waveguide loss is about 0.45 dB/μm at a wavelength of 1550 nm (by transmission spectrum measurements at different waveguide lengths). Yagi-Uda antennas can maximize coupling efficiency by designing parameters (length, width, gap size, etc.). Full-wave electromagnetic 3D simulations show that a coupling efficiency of about 6% (for non-optimized antennas) can be achieved from a 6 μm core mode to a single plasmonic waveguide with a slot width of 300 nm. For example, integrating 4 or 5 input antennas can yield a coupling efficiency of about 30%, and optimizing the antenna and core geometry can yield a coupling efficiency of over 50%. An efficient plasmonic system on the fiber tip is obtained.

図6Gは、偏波保持フォトニック結晶ファイバ(PM-PCF)上に形成された、図6Aの回路と同様のマルチチャネル導波路ナノ回路のSEM像である。図6Hは、図6Gのマルチチャネル導波路ナノ回路の拡大SEM像である。図6Iは、図6Hのマルチチャネル導波路ナノ回路の拡大SEM像であり、光ファイバのコア付近の入力アンテナを示している。追加の実施形態は、複数の光ファイバ上に形成する能力を実証している。 FIG. 6G is an SEM image of a multi-channel waveguide nanocircuit similar to that of FIG. 6A formed on a polarization-maintaining photonic crystal fiber (PM-PCF). FIG. 6H is an enlarged SEM image of the multi-channel waveguide nanocircuit of FIG. 6G. FIG. 6I is a magnified SEM image of the multichannel waveguide nanocircuit of FIG. 6H showing the input antenna near the core of the optical fiber. Additional embodiments demonstrate the ability to form on multiple optical fibers.

図7A~7Eは、PM光ファイバ上に作製された複数の出力チャネルを有する例示的なプラズモニック方向性結合器ナノ回路を示す。図7Aは、集積型方向性結合器ナノ回路が作製される前の光ファイバファセットのSEM像である。図7Bは、例示的なプラズモニック方向性結合器が作製された後の光ファイバファセットの拡大図である。図7Cは、図7Bのプラズモニック方向性結合器のさらに拡大した図である。図7Dは、1550nmにおける2つの出力を示す、測定された遠視野光学像である。図7Eは、1630nmにおける2つの出力を示す、測定された遠視野光学像である。本明細書の教示は、プラズモニック方向性結合器ナノ回路10Cを作成するために使用することができる。一例として、プラズモニック方向性結合器は、図7A及び7BのSEM像に示されるパンダ型のPM光ファイバ4のファセット8上に作成することができる。本発明は、このようなプラズモニック方向性結合器を用いて、光スイッチング特性を提供する。プラズモニック方向性結合器は、2つの隣接する導波路30A及び30Bを含み、1つの単一の導波路が、各導波路の水平部分に沿って他の導波路と平行に延びる。(図7A及び7Bでは、クラッド内の「パンダ」構造を識別しやすくするために円形リングをエッチングすることで、交差偏波遠視野検出用のPMファイバの遅軸/速軸に従って構造を作製できる。)この例では、2つのスロット導波路30A及び30Bは、幅が300nm、導波路間の距離が80nm、結合長が3μmである。入力アンテナ26A及び出力アンテナ28Aにおける八木・宇田アンテナは、単一スロット導波路30Aに合わせて、長さが22μm(水平部分)、出力アンテナに接続される垂直スロット導波路の部分が6μmである。入力からの波長と平行に延びる他方のスロット導波路30Bは、エバネッセント場の結合が観測される水平長さが10μmである。追加スロット導波路の両端は、90曲げ及び垂直導波路の後、出力アンテナ28Bに合わせることができる。一方の導波路のパワーは、他方の導波路にエバネッセント的に往復して結合することができる。例えば、2つの平行に延びる導波路を分離する薄い金属膜の厚さは、50~100nmの範囲とすることができる。結合長及び動作波長(2つの導波路の結合係数に影響する)により、光パワーは異なる導波路出力間で切り替わるか、又は2つの導波路に均等に分配される。光はコアを通して結合され、動作波長に応じて出力ポートO1又は出力ポートO2から放出することができる。入射光の偏波状態は、入力アンテナの向きと一致しており、前述したように、スロット導波路におけるSPPモードの結合を効果的に支援する。 Figures 7A-7E show exemplary plasmonic directional coupler nanocircuits with multiple output channels fabricated on PM optical fibers. FIG. 7A is an SEM image of an optical fiber facet before fabrication of an integrated directional coupler nanocircuit. FIG. 7B is a magnified view of an optical fiber facet after an exemplary plasmonic directional coupler has been fabricated. FIG. 7C is a further enlarged view of the plasmonic directional coupler of FIG. 7B. FIG. 7D is a measured far-field optical image showing two outputs at 1550 nm. FIG. 7E is a measured far-field optical image showing two outputs at 1630 nm. The teachings herein can be used to create a plasmonic directional coupler nanocircuit 10C. As an example, a plasmonic directional coupler can be fabricated on facet 8 of panda-shaped PM optical fiber 4 shown in the SEM images of FIGS. 7A and 7B. The present invention uses such plasmonic directional couplers to provide optical switching properties. The plasmonic directional coupler includes two adjacent waveguides 30A and 30B, with one single waveguide extending parallel to the other along the horizontal portion of each waveguide. (In Figures 7A and 7B, the structure can be made according to the slow/fast axis of the PM fiber for cross-polarized far-field detection by etching a circular ring to help identify the "panda" structure in the cladding. .) In this example, the two slot waveguides 30A and 30B have a width of 300 nm, a distance between the waveguides of 80 nm, and a coupling length of 3 μm. The Yagi-Uda antennas at the input antenna 26A and the output antenna 28A are 22 μm long (horizontal portion) and the portion of the vertical slot waveguide connected to the output antenna is 6 μm, consistent with the single slot waveguide 30A. The other slot waveguide 30B, which runs parallel to the wavelength from the input, has a horizontal length of 10 μm over which evanescent field coupling is observed. Both ends of the additional slot waveguide can be aligned with the output antenna 28B after a 900 bend and vertical waveguide. Power in one waveguide can be evanescently coupled back and forth into the other waveguide. For example, the thickness of the thin metal film separating the two parallel-extending waveguides can be in the range of 50-100 nm. Depending on the coupling length and operating wavelength (affecting the coupling coefficient of the two waveguides), the optical power can be switched between different waveguide outputs or evenly distributed between the two waveguides. Light is coupled through the core and can be emitted from output port O1 or output port O2 depending on the operating wavelength. The polarization state of the incident light matches the orientation of the input antenna, effectively assisting the coupling of SPP modes in the slot waveguides, as described above.

シミュレーションは、少なくとも1つの実施形態において、導波路30Aから導波路30Bへの550%の放出比が達成され得ることを示している。結果は、光がプラズモニック方向性結合器に結合し、図7Dに示すように、波長1550nmで出力ポートO1及びO2から等しく放出され得ることを示している。波長1630nmでは、図7Eに示すように、より多くの光が出力ポートO2を通して放出され、初期の方向性結合特性とその結果のスイッチング特性が示されている。分離長及び結合長を変化させることで、さらなる最適化を行うことができる。 Simulations show that, in at least one embodiment, a 550% emission ratio from waveguide 30A to waveguide 30B can be achieved. The results show that light can be coupled into the plasmonic directional coupler and emitted equally from output ports O1 and O2 at a wavelength of 1550 nm, as shown in FIG. 7D. At a wavelength of 1630 nm, more light is emitted through the output port O2, as shown in FIG. 7E, exhibiting initial directional coupling characteristics and resulting switching characteristics. Further optimization can be done by varying the separation and bond lengths.

図7Fは、他の例示的な集積型方向性結合器ナノ回路を有するパンダ型(PS)光ファイバファセットのSEM像である。図7Gは、図7Fの例示的なプラズモニック方向性結合器の波長1630nmにおける遠視野測定の重ね合わせ画像である。図7Hは、光学フィルタなしのスーパーコンティニューム(SC)光源レーザを用いた図7Fのプラズモニック方向性結合器の遠視野像である。図7Iは、入射光に対して交差偏波で検出された波長1480nmにおける測定された遠視野光学像である。図7Jは、入射光に対して交差偏波で検出された波長1550nmにおける測定された遠視野光学像である。図7Kは、入射光に対して交差偏波で検出された波長1650nmにおける測定された遠視野光学像である。CWスーパーコンティニューム(SC)レーザ及びバンドパスフィルタが、ナノ回路の遠視野測定に利用される。図7Gは、遠視野光学測定像とSEM像とを重ねた画像であり、出力の結合が明確に示されている。図7Hは、フィルタを使用せず、導波路上のすべてのアンテナに光を伝導する場合のSC光源との出力アンテナでの明確な結合を示している。図7Iは、波長1480nm、帯域幅±10nmのバンドパスフィルタを用いた場合の遠視野測定である。この測定では、出力ポートO2(O2=バー出力、強度Ibar)と比較して出力ポートO1(O1=クロス出力、強度lcross)の強度が高いことを示している。図7Jは、1550nmにおける2つの出力ポートO1、O2の強度がほぼ等しいことを示している。図7Kは、1650nmにおける出力ポートO2の強度がより高いことを示している。したがって、図7Jは、図7Iと図7Kとの間のパワーカップリングを示している。 FIG. 7F is an SEM image of a panda-type (PS) fiber optic facet with another exemplary integrated directional coupler nanocircuit. FIG. 7G is a superimposed image of far-field measurements at a wavelength of 1630 nm for the exemplary plasmonic directional coupler of FIG. 7F. FIG. 7H is a far-field image of the plasmonic directional coupler of FIG. 7F using a supercontinuum (SC) source laser without optical filters. FIG. 7I is a measured far-field optical image at a wavelength of 1480 nm detected with cross-polarization to the incident light. FIG. 7J is a measured far-field optical image at a wavelength of 1550 nm detected with cross-polarization to the incident light. FIG. 7K is a measured far-field optical image at a wavelength of 1650 nm detected with cross-polarization to the incident light. A CW supercontinuum (SC) laser and bandpass filters are utilized for far-field measurements of nanocircuits. FIG. 7G is a superimposed image of the far-field optical measurement image and the SEM image, clearly showing the coupling of the outputs. FIG. 7H shows clear coupling at the output antenna with the SC light source when no filters are used and light is conducted to all antennas on the waveguide. FIG. 7I is a far-field measurement using a bandpass filter with a wavelength of 1480 nm and a bandwidth of ±10 nm. This measurement shows a higher intensity at output port O1 (O1=cross output, intensity lcross) compared to output port O2 (O2=bar output, intensity Ibar). FIG. 7J shows that the intensities of the two output ports O1, O2 at 1550 nm are approximately equal. FIG. 7K shows higher intensity at output port O2 at 1650 nm. FIG. 7J thus shows the power coupling between FIGS. 7I and 7K.

他の図に示される実施形態は、予言的な実施形態を表す。図8A~8Fは、偏波スプリッタナノ回路の形態の他のナノ回路を示している。図8Aは、例示的な偏波スプリッタのSEM像である。図8Bは、図8Aの偏波スプリッタの入力アンテナの拡大SEM像である。図8Cは、図8Aの偏波スプリッタの測定された遠視野光学鏡像であり、水平に配列した入力アンテナを有する導波路を通して伝送される水平入射偏波を示している。図8Dは、図8Aの偏波スプリッタの測定された遠視野光学鏡像であり、垂直に配列した入力アンテナを有する導波路を通して伝送される垂直入射偏波を示している。図8Eは、図8Aの偏波スプリッタに示された各導波路について、水平偏波入力及び垂直偏波入力を有するそれぞれの水平又は垂直配列に応じた伝送強度を示すチャートである。図8Fは、図8Aの偏波スプリッタに示された各導波路について、水平面又は垂直面にない回転偏波入力を有するそれぞれの水平又は垂直配列に応じた伝送強度を示すチャートである。 Embodiments shown in other figures represent prophetic embodiments. Figures 8A-8F show other nanocircuits in the form of polarization splitter nanocircuits. FIG. 8A is an SEM image of an exemplary polarization splitter. FIG. 8B is an enlarged SEM image of the input antenna of the polarization splitter of FIG. 8A. FIG. 8C is a measured far-field optical mirror image of the polarization splitter of FIG. 8A, showing horizontal incident polarization transmitted through a waveguide with a horizontally aligned input antenna. FIG. 8D is a measured far-field optical mirror image of the polarization splitter of FIG. 8A, showing vertically incident polarization transmitted through a waveguide with a vertically aligned input antenna. FIG. 8E is a chart showing the transmission strength as a function of each horizontal or vertical arrangement with horizontal and vertical polarization inputs for each waveguide shown in the polarization splitter of FIG. 8A. FIG. 8F is a chart showing the transmitted power as a function of each horizontal or vertical alignment with a rotationally polarized input that is not in the horizontal or vertical plane for each waveguide shown in the polarization splitter of FIG. 8A.

偏波スプリッタ10Dは、コアモードの偏波状態でファイバ上のナノ回路の出力信号を切り替える能力を可能にする。図8Aの実施形態及び図8Bで拡大された実施形態は、入力アンテナ26A~26D(一般に、26)を、ファイバコアと軸方向に位置合わせすることができる。入力アンテナ26は、SEM像において水平及び垂直に、すなわち一般に直角に配列されている。図8Bの画像の左及び右の入力アンテナ26A及び26Bの1つのセットは、垂直に配列されており、導波路W1及びW2の曲げの後に出力を提供するアンテナ28A及び28Bと対応する。図8Bの画像の上部及び下部の入力アンテナ26C及び26Dの他のセットは、水平に配列されており、導波路W3及びW4の曲げの後に出力を提供するアンテナ28C及び28Dと対応する。光学測定では、入力端の直線偏光板の直後に、半波長板という追加の光学コンポーネントを追加することができる。半波長板を任意の方向に回転させて、ファイバに入る入射光の偏波状態を変化させることができる。この半波長板を使用すると、角度θで回転させたときに偏波が2θ変化するが、光路の結合/位置合わせへの影響はほぼゼロである。例えば、図8Cに示すように、ファイバ内の入射信号の水平偏波状態は、それぞれの偏波に合わせた入力アンテナ26C、26Dを励起し、したがって導波路W3及び導波路W4が点灯するため、伝送が観測される。同様に、偏波を垂直偏波状態に切り替えた場合、ファイバ内の入射信号は、それぞれの偏波に合わせた入力アンテナ26A、26Bを励起し、したがって導波路W1及び導波路W2が点灯するため、伝送が観測される。光がそれ以外の角度で入射すれば、各方向のそれらの固有成分として伝送が得られる。理想的には、入射偏波状態が水平に対して45°のときに、4つの出力アンテナのそれぞれが均等に信号を放射していることが観測されるはずである。図8Fに示す例は、テストデータとこの例の作製により、実験的に異なる角度で焦点を合わせるので、正確な度合いよりも、概念を説明するために主に有用である。 The polarization splitter 10D enables the ability to switch the output signal of the nanocircuit on the fiber in the core mode polarization state. The embodiment of FIG. 8A and the embodiment magnified in FIG. 8B allow the input antennas 26A-26D (generally 26) to be axially aligned with the fiber core. The input antennas 26 are arranged horizontally and vertically in the SEM image, ie, generally at right angles. One set of left and right input antennas 26A and 26B in the image of FIG. 8B are aligned vertically and correspond to antennas 28A and 28B that provide outputs after bending of waveguides W1 and W2. Another set of input antennas 26C and 26D at the top and bottom of the image of FIG. 8B are arranged horizontally and correspond to antennas 28C and 28D that provide outputs after bending of waveguides W3 and W4. For optical measurements, an additional optical component called a half-wave plate can be added immediately after the linear polarizer at the input end. The half-wave plate can be rotated in any direction to change the polarization state of the incident light entering the fiber. The use of this half-wave plate results in a 2θ change in polarization when rotated through an angle θ, but has nearly zero effect on the coupling/alignment of the optical path. For example, as shown in FIG. 8C, the horizontal polarization state of the incoming signal in the fiber excites the input antennas 26C, 26D aligned to their respective polarizations, thus illuminating waveguides W3 and W4. Transmission is observed. Similarly, if the polarization is switched to a vertical polarization state, the incident signal in the fiber will excite the input antennas 26A, 26B matched to their respective polarizations, thus lighting waveguides W1 and W2. , the transmission is observed. If the light is incident at any other angle, we get the transmission as their unique component in each direction. Ideally, one should observe that each of the four output antennas radiates the signal evenly when the incident polarization state is 45° to the horizontal. The example shown in FIG. 8F is primarily useful for demonstrating the concept rather than the exact degree, as test data and the preparation of this example focus experimentally at different angles.

図9A~9Dは、光ファイバ先端用の小型共振導波ネットワーク(RGWN)ナノ回路10Eの例としての一組の図である。図9Aは、平面基板上に作製された例示的なRGWNナノ回路のSEM像を示す図である。図9Bは、共振サイズ7.5μmのRGWN構造の測定光学像を示し、波長1570nmで出力ポートO1が高く、出力ポートO2が低いことを示している。図9Cは、図9BのRGWN構造の測定光学像であり、波長1550nmで出力ポートO1が低く、出力ポートO2が高いことを示している。図9Bと図9Cとの比較は、異なる波長におけるRGWNのスイッチング特性を示している。図9Dは、ナノ回路における光ファイバファセットの可能性を示すために、異なるサイズで作製されたRGWNのSEM像を示している。 9A-9D are an example set of diagrams for a miniature resonant waveguide network (RGWN) nanocircuit 10E for an optical fiber tip. FIG. 9A shows an SEM image of an exemplary RGWN nanocircuit fabricated on a planar substrate. FIG. 9B shows a measured optical image of an RGWN structure with a resonance size of 7.5 μm, showing output port O1 high and output port O2 low at a wavelength of 1570 nm. FIG. 9C is a measured optical image of the RGWN structure of FIG. 9B showing output port O1 low and output port O2 high at a wavelength of 1550 nm. A comparison of Figures 9B and 9C shows the switching characteristics of the RGWN at different wavelengths. FIG. 9D shows SEM images of RGWNs fabricated with different sizes to demonstrate the potential of fiber optic facets in nanocircuits.

図10A~10Fは、超小型RGWNナノ回路の概略図と、結果を示す様々なグラフとを示している。図10Aは、共振器サイズが300nmの超小型RGWNナノ回路10E’の例示的な実施形態に関するSEM像である。図10Bは、図10AのRGWNの測定光学像である。図10Bは、3つの出力ポートへの効率的な結合を示す。図10Cは、共振器サイズが7.5μmのRGWN10E’’の他の例示的な実施形態のSEM像である。図10Dは、図10CのRGWNのポートO1について例示的な測定スペクトル及びシミュレーションスペクトルを示すチャートである。図10Eは、図10CのRGWNのポートO2についての例示的な測定スペクトル及びシミュレーションスペクトルを示すチャートである。図10Fは、図10CのRGWNのポートO4についての例示的な測定スペクトル及びシミュレーションスペクトルを示すチャートである。 Figures 10A-10F show schematics of microminiaturized RGWN nanocircuits and various graphs showing the results. FIG. 10A is an SEM image of an exemplary embodiment of an ultra-compact RGWN nanocircuit 10E' with a cavity size of 300 nm. FIG. 10B is a measured optical image of the RGWN of FIG. 10A. FIG. 10B shows efficient coupling to three output ports. FIG. 10C is an SEM image of another exemplary embodiment of RGWN 10E″ with a cavity size of 7.5 μm. FIG. 10D is a chart showing exemplary measured and simulated spectra for port O1 of the RGWN of FIG. 10C. FIG. 10E is a chart showing exemplary measured and simulated spectra for port O2 of the RGWN of FIG. 10C. FIG. 10F is a chart showing exemplary measured and simulated spectra for port O4 of the RGWN of FIG. 10C.

少なくとも1つの実施形態において、プラズモニックRGWNナノ回路10E(図9Aに示す)、10E’、10E’’(一般に、10E)は、プラズモン波のコヒーレント干渉によりネットワーク内部に複数の共振が形成される光ファイバ上で使用することが可能である。RGWNを光ファイバ上に統合するには、例えば八木・宇田型アンテナを用いると、光で光コアモードをRGWNに結合させることができる。高開口数(「NA」)の対物レンズを使用して、レーザを約1μmのスポットに集束し、入力アンテナを励起することができる。図10Bに、波長1570nm及び1550nmでのRGWNの測定された遠視野像が示されている。この図は、出力信号の波長依存性が高いことを示している。「オフ/オン」又は「高/低」の出力状態は、異なる波長によって変化することができ、したがって、波長選択性デバイスと共振干渉による波長逆多重化特性とを示している。このRGWNを用いることで、波長選択機能を有する超小型の回路を開発することができる。図10C及び図10Aに示すように、約7.5μmから約300nmの共振サイズを有するRGWNは、良好な伝送でルーチンに作製できると考えられる。このプラズモニックRGWNは、コヒーレントな波動干渉を維持しながら、少なくともサブ100ナノメートルスケールのサイズに到達できると考えられている。図10Cの共振サイズ7.5μmのRGWNの放出スペクトルを測定し、ポートO1、O2及びO4の結果を図10D~10Fに示す。測定したスペクトルのうなりは、複数の伝搬波の干渉による共振の性質を示している。線36の数値シミュレーション結果は、線38の実験結果のスペクトル応答及び振幅にほぼ一致しており、RGWNを用いてナノスケールの共振デバイスを開発できることを示している。 In at least one embodiment, the plasmonic RGWN nanocircuit 10E (shown in FIG. 9A), 10E′, 10E″ (generally 10E) is an optical nanocircuit in which coherent interference of plasmonic waves creates multiple resonances within the network. It can be used on fiber. To integrate the RGWN onto an optical fiber, for example, a Yagi-Uda antenna can be used to optically couple the optical core mode into the RGWN. A high numerical aperture (“NA”) objective lens can be used to focus the laser to a spot of about 1 μm to excite the input antenna. Measured far-field patterns of the RGWN at wavelengths 1570 nm and 1550 nm are shown in FIG. 10B. This figure shows that the output signal is highly wavelength dependent. The "off/on" or "high/low" output states can be varied with different wavelengths, thus indicating wavelength selective devices and wavelength demultiplexing properties due to resonant interference. By using this RGWN, it is possible to develop a very small circuit with a wavelength selection function. As shown in FIGS. 10C and 10A, it is believed that RGWNs with resonant sizes from about 7.5 μm to about 300 nm can be routinely fabricated with good transmission. It is believed that this plasmonic RGWN can reach at least sub-100-nanometer scale sizes while maintaining coherent wave interference. The emission spectrum of the 7.5 μm resonant size RGWN of FIG. 10C was measured and the results for ports O1, O2 and O4 are shown in FIGS. 10D-10F. The measured spectral beat indicates the nature of resonance due to the interference of multiple propagating waves. The numerical simulation results for line 36 closely match the spectral response and amplitude of the experimental results for line 38, indicating that RGWNs can be used to develop nanoscale resonant devices.

ネットワークのサイズ及びグリッドの違いで、本発明は、ブールオン/オフ値の順列及びナノスケールでの光信号の分布に使用できる共振導波ネットワークを提供することができる。プラズモニックRGWNは、通信波長でのオンファイバ小型光論理又は波長多重化/逆多重化デバイスに使用することが可能であり、ファイバ結合ナノ回路の開発のために、異なるオン/オフの組み合わせで異なる波長を異なる伝送ポートにルーティングする。 With differences in network sizes and grids, the present invention can provide resonant waveguide networks that can be used for permutations of Boolean on/off values and distribution of optical signals at the nanoscale. Plasmonic RGWNs can be used for on-fiber compact optical logic or wavelength multiplexing/demultiplexing devices at telecommunications wavelengths, and can be used in different on/off combinations for the development of fiber-coupled nanocircuits. Route wavelengths to different transmission ports.

本発明は、電界効果導電性酸化物材料の強い電気的な調整能力及びENZ非線形性、並びに共振導波ネットワーク及び方向性結合器の概念を組み合わせることによって、プラズモニック構造をさらに改善することができる。その結果、電気的にゲート制御可能で超高速の非線形光学的に調整可能なプラズモニックネットワークが得られ、100を超えるオン/オフブール状態を有する超高速(>100GHz)スイッチング、結合、マルチチャネル論理コンポーネントとして機能させることができる。 The present invention can further improve plasmonic structures by combining the strong electrical tunability and ENZ nonlinearity of field-effect conductive oxide materials with the concept of resonant waveguide networks and directional couplers. . The result is an electrically gateable, ultrafast, nonlinear optically tunable plasmonic network with over 100 on/off Boolean states for ultrafast (>100 GHz) switching, coupling, and multi-channel logic components. can function as

図11A~11Dは、能動的な信号処理のために再構成可能な調整可能なRGWNナノ回路10E’’’の一例、関連する概略図及び光学像を示している。図11Aは、調整可能なRGWNナノ回路の一例の概略図である。図11Bは、対応する透明導電性酸化物(TCO)導波路の概略図である。図11Cは、バイアスを印加した場合のシミュレーション応答を示している。図11Dは、バイアスを印加していない場合のシミュレーション応答であり、超高速のスイッチング能力を示している。少なくとも1つの実施形態は、図11A及び11Bに示されるサブ波長次元アンテナ結合プラズモニックスロット導波路ネットワーク10E’’’へのENZ材料の選択的な統合を含む。インファイバプラズモニックRGWNの共振挙動を能動的に制御するために、本発明は、図11Bに示すように、MOS型構造における導電性酸化物又は窒化物などのENZ材料の電界効果調整を使用することが可能である。例示的なMOSデバイスは、ナノ回路部分を形成するために使用することができる金属層16と、金属層16の上の誘電絶縁体層42と、TCO層とを含む。本明細書では、「TCO」材料は、ITO、AZO、又はTiN、及び透明性及び電子伝導特性を有する類似の材料を含む。誘電絶縁体は、一般に高い誘電値を有し、例えば、酸化アルミニウム(Al)、二酸化ハフニウム(HfO)、アルミニウムドープ酸化亜鉛(AZO)、又は適切な誘電絶縁特性を有する他の材料が挙げられる。図3Aで説明したように、金属層16を光ファイバ4のファセット8上に堆積し、ミリングして、スロット20、ナノ結合器(アンテナなど)、及びナノ回路用の他の構造を形成することができる。誘電絶縁体層42は、例えば、金属層上の集束イオンビーム(FIB)ミリング/電子ビームリソグラフィー工程の後に、原子層堆積(ALD)又はスパッタリングによって金属層16上に堆積することができる。TCO層44は、誘電絶縁体層42上に堆積することができる。金属層、誘電絶縁体層、及びTCO層は、ワイヤボンディング技術又は特別に設計されたファイバホルダとの物理的接触によって結合させることができる。この結合により、蓄積された電子分布と、制御可能な位相及び振幅のための調整可能な誘電率とに基づいて、光閉じ込めを効率的に制御することができ、したがってネットワークの共振特性を制御することが可能となる。特に、信号波長が電圧調整された導電性酸化物蓄積層のENZ共振に近づくと、伝搬モードの実効屈折率が大きくなり、したがって共振信号の強い変調がもたらされる。 Figures 11A-11D show an example of a tunable RGWN nanocircuit 10E''' reconfigurable for active signal processing and associated schematics and optical images. FIG. 11A is a schematic diagram of an example of a tunable RGWN nanocircuit. FIG. 11B is a schematic diagram of a corresponding transparent conducting oxide (TCO) waveguide. FIG. 11C shows the simulated response with applied bias. FIG. 11D is the simulated response with no bias applied, demonstrating ultra-fast switching capability. At least one embodiment includes selective integration of ENZ materials into the sub-wavelength dimension antenna-coupled plasmonic slot waveguide network 10E''' shown in FIGS. 11A and 11B. To actively control the resonant behavior of in-fiber plasmonic RGWNs, the present invention uses field-effect tuning of ENZ materials such as conductive oxides or nitrides in MOS-type structures, as shown in FIG. 11B. Is possible. The exemplary MOS device includes a metal layer 16 that can be used to form nanocircuitry portions, a dielectric insulator layer 42 over the metal layer 16, and a TCO layer. As used herein, "TCO" materials include ITO, AZO, or TiN and similar materials with transparency and electronic conductivity properties. Dielectric insulators generally have high dielectric values, such as aluminum oxide ( Al2O3 ), hafnium dioxide ( HfO2 ), aluminum doped zinc oxide (AZO), or other materials with suitable dielectric insulating properties. are mentioned. Depositing a metal layer 16 on the facets 8 of the optical fiber 4 and milling to form slots 20, nanocouplers (such as antennas), and other structures for nanocircuits, as described in FIG. 3A. can be done. Dielectric insulator layer 42 may be deposited on metal layer 16 by atomic layer deposition (ALD) or sputtering, for example, after a focused ion beam (FIB) milling/electron beam lithography step on the metal layer. A TCO layer 44 may be deposited over the dielectric insulator layer 42 . The metal layer, dielectric insulator layer, and TCO layer can be bonded by wire bonding techniques or physical contact with a specially designed fiber holder. This coupling allows efficient control of optical confinement based on the stored electron distribution and the tunable dielectric constant for controllable phase and amplitude, thus controlling the resonant properties of the network. becomes possible. In particular, when the signal wavelength approaches the ENZ resonance of the voltage-tuned conductive oxide accumulation layer, the effective refractive index of the propagating mode increases, thus leading to strong modulation of the resonance signal.

電気的変調に関する数値シミュレーション結果が図11C及び図11Dに示されている。画像の上部にある「オン/オフ」状態の2つの出力ポートの信号は、例えば3Vのゲート電圧を印加することで交互に切り替えることができる。TCO ENZの電界効果調整能力は、プラズモニック方向性結合器のスイッチング特性に影響を与える。RGWN又は方向性結合器のゲート容量が小さいTCO電界効果構造のサイズを小さくする(例えば2~3μm)ことにより、かなりの低エネルギー消費(1fJ/bit未満)で変調の動作速度が数十GHzから数百GHzを超える可能性がある。 Numerical simulation results for electrical modulation are shown in FIGS. 11C and 11D. The signals of the two output ports in the "on/off" state at the top of the image can be alternately switched by applying a gate voltage of, for example, 3V. The field effect tuning capability of TCO ENZ influences the switching characteristics of plasmonic directional couplers. By reducing the size of the TCO field-effect structure (eg, 2-3 μm) with the small gate capacitance of the RGWN or directional coupler, the operating speed of the modulation can be increased from tens of GHz to very low energy consumption (less than 1 fJ/bit). It can exceed hundreds of GHz.

TCO材料の異常に大きなENZ非線形性を利用して、プラズモニックナノ回路の複雑な光波及び機能を動的に制御することができる。TCO材料の異常に大きなENZ非線形性は、ENZ波長付近のAZO ENZ薄膜の異常に高い非線形屈折係数(n2)及び非線形吸収係数(β2)を含む。測定された約10-8mm/Wの係数n2(eff)及び約-10-4cm/Wの係数β2(eff)は、波長1550nmの超高速フェムト秒レーザを用いたZスキャン非線形測定技術により得られる。測定されたENZ薄膜の非線形性は強く(高非線形カルコゲナイドガラスよりも2~3桁高い)、AZO材料の堆積中にALDパラメータによってさらに調整することが可能である。 The unusually large ENZ nonlinearities of TCO materials can be exploited to dynamically control complex lightwaves and functions in plasmonic nanocircuits. The anomalously large ENZ nonlinearities of TCO materials include the anomalously high nonlinear refractive index (n2) and nonlinear absorption coefficient (β2) of AZO ENZ thin films near the ENZ wavelength. The measured coefficient n2(eff) of about 10 −8 mm 2 /W and coefficient β2(eff) of about −10 −4 cm/W were obtained using a Z-scan nonlinear measurement technique using an ultrafast femtosecond laser with a wavelength of 1550 nm. obtained by The measured nonlinearity of ENZ thin films is strong (2-3 orders of magnitude higher than highly nonlinear chalcogenide glasses) and can be further tuned by ALD parameters during deposition of AZO materials.

図12A~12Dは、調整可能な方向性結合器としてのナノ回路の一例及び関連する概略図を示す。図12Aは、非線形光スイッチングのための例示的な調整可能なENZ/プラズモニック方向性結合器ナノ回路10Cの概略図である。図12Bは、図12Aの方向性結合器の例示的な対応するENZ導波路の概略図である。図12Cは、低励起パワーのENZ/プラズモニック方向性結合器のシミュレートされたフィールドプロファイルを示す図である。図12Dは、高励起パワーのENZ/プラズモニック方向性結合器のシミュレートされたフィールドプロファイルを示す図である。ENZの非線形性をプラズモニックナノ構造と組み合わせることで、光ファイバナノ回路の超高速光制御を可能にする。図6Aのようなプラズモニックスロット導波路、及び図7Cのようなプラズモニック方向性結合器の超高速の光学的に調整可能な特性は、図12Bに示すように金属層16の上にTCO層44を堆積することによって実証することができる。例えば、フェムト秒レーザ動作波長(例えば1550nm)でENZ波長を示す20~30nm厚のTCO層44を、ALD/スパッタリング技術によってスロットプラズモニック導波路の金属層16の上に堆積させることができる。図3Aで説明した酸化シリコン層24は、TCO層44の上に堆積することができる。プラズモニック導波路の強い光閉じ込め及びENZの高い光非線形性により、伝搬するプラズモニック波の位相及び振幅は、超高速フェムト秒パルスによって変更することができる。Zスキャン技術で測定した非線形性を用いたAZO ENZプラズモニックスロット導波路の光伝搬の変化に関するシミュレーションが示されている。ENZ波長付近で大きな非線形光学により誘起された屈折率の変化が得られ、ENZ波長でモードの実効屈折率が1.515+0.308i(低パワー)から1.569+0.136i(高パワー)へ増加する。この変化は、モードの伝搬損失を10.33dB/μm(低パワー)から4.57dB/μm(高パワー)に低減させることができ、図12Cと12Dに示すように、場閉じ込めが変化する。ENZの非線形効果の増強は、図7Aに示すようなプラズモニック結合器、及び図9に示すようなRGWNで使用することができる。高分散光方向性結合器は、ENZ材料の非線形応答がシステムのパワー依存性に大きな影響を及ぼすプラットフォームを提供する。2つの出力ポートからの出力放射が入射レーザパワーに強く依存する場合、強い非線形スイッチング効果が発生する可能性がある。 Figures 12A-12D show an example of a nanocircuit as a tunable directional coupler and an associated schematic. FIG. 12A is a schematic diagram of an exemplary tunable ENZ/plasmonic directional coupler nanocircuit 10C for nonlinear optical switching. FIG. 12B is a schematic diagram of an exemplary corresponding ENZ waveguide of the directional coupler of FIG. 12A. FIG. 12C is a simulated field profile of a low pump power ENZ/plasmonic directional coupler. FIG. 12D shows a simulated field profile of an ENZ/plasmonic directional coupler with high pump power. Combining the nonlinearity of ENZ with plasmonic nanostructures enables ultrafast optical control of optical fiber nanocircuits. The ultrafast optically tunable properties of plasmonic slot waveguides, such as FIG. 6A, and plasmonic directional couplers, such as FIG. 7C, can be achieved by using a TCO layer on top of metal layer 16 as shown in FIG. 12B. 44 can be demonstrated. For example, a 20-30 nm thick TCO layer 44 exhibiting an ENZ wavelength at the femtosecond laser operating wavelength (eg, 1550 nm) can be deposited on the metal layer 16 of the slot plasmonic waveguide by ALD/sputtering techniques. The silicon oxide layer 24 described in FIG. 3A can be deposited over the TCO layer 44 . Due to the strong optical confinement of plasmonic waveguides and the high optical nonlinearity of ENZ, the phase and amplitude of propagating plasmonic waves can be altered by ultrafast femtosecond pulses. Simulations of optical propagation changes in AZO ENZ plasmonic slot waveguides using nonlinearities measured with Z-scan techniques are presented. A large nonlinear-optically-induced refractive index change is obtained near the ENZ wavelength, increasing the effective index of the mode from 1.515+0.308i (low power) to 1.569+0.136i (high power) at the ENZ wavelength. . This change can reduce the propagation loss of the mode from 10.33 dB/μm (low power) to 4.57 dB/μm (high power), changing the field confinement as shown in FIGS. 12C and 12D. ENZ enhancement of nonlinear effects can be used in plasmonic couplers as shown in FIG. 7A and RGWNs as shown in FIG. High-dispersion optical directional couplers provide a platform for the nonlinear response of ENZ materials to significantly affect the power dependence of the system. Strong nonlinear switching effects can occur when the output radiation from the two output ports strongly depends on the incident laser power.

RGWNにおける伝搬プラズモンモードの空間的・時間的変化の電気的・光学的コヒーレント制御の組み合わせは、フェムト秒レーザパルスを発して結合器の複数の固有モードを励起するとともに、固有状態の分散をさらに制御するために電気的ゲーティングを提供することにより研究することができる。一般に、本発明は、活性伝導性酸化物材料とプラズモニック構造とを統合することができ、新規なナノデバイスの応用及び超低消費電力の次世代超小型高速集積型ナノ回路のための効率的かつ能動的な光学コンポーネントを可能にする。 A combination of electrical and optical coherent control of the spatial and temporal variation of propagating plasmon modes in RGWNs emits femtosecond laser pulses to excite multiple eigenmodes in the coupler, while further controlling eigenstate dispersion. can be studied by providing electrical gating to In general, the present invention is capable of integrating active conductive oxide materials with plasmonic structures to provide efficient novel nanodevice applications and next-generation ultra-compact, fast-integrated nanocircuits with ultra-low power consumption. and enable active optical components.

光ファイバナノ回路の効率的な結合及び機能により、超高密度プラズモニックナノ回路に基づく様々な高レベルの応用が可能になる。例えば、非限定的な例として、光ファイバの入出力による信号処理、インファイバ量子源の量子放出の増強、超高感度の光/分子センシングなどを挙げることができる。 The efficient coupling and functioning of fiber optic nanocircuits enables a variety of high-level applications based on ultra-high density plasmonic nanocircuits. For example, non-limiting examples include fiber optic input/output signal processing, quantum emission enhancement of in-fiber quantum sources, ultra-sensitive optical/molecular sensing, and the like.

図13A~13Gは、集積光通信用の光ファイバENZナノ回路の例示的な構造の概略図である。光ファイバ先端ナノ回路をナノスケールの信号処理及び操作のための超小型集積回路として使用する概念を実証するために、以下の3つの実施形態を示すことができる。 13A-13G are schematic diagrams of exemplary structures of fiber optic ENZ nanocircuits for integrated optical communications. To demonstrate the concept of using fiber optic tipped nanocircuits as microintegrated circuits for nanoscale signal processing and manipulation, the following three embodiments can be presented.

図13Aは、シングルモードコア6を有する光ファイバ、光ファイバ先端上のナノ回路10、及び出力ポート14を有する出力マルチコア光ファイバ12を有する、調整可能な光ファイバENZナノ回路デバイス2’の例示的な実施形態を示す概略図である。本実施形態は、入力が調整可能なナノ回路への入力のためのシングルモードコア6からのものである、光ファイバ先端上の調整可能なナノ回路10による電子的又は非線形光学的な動的制御を有する。図13D及び図13Eに示すように、マルチコア光ファイバ12は、ナノ回路10と密接に結合して、マルチコア光ファイバからの複数の出力14のためにナノ回路からの入力を受け取る。図13Fにおける構造及び図13Gの拡大図に示すように、入射の垂直/水平偏波に応じて、構造の特定の出力ポートを選択的に励起することができ、それによって、コヒーレント信号及び出力選択を操作する他の手段を提供することができる。 FIG. 13A is an exemplary tunable fiber optic ENZ nanocircuit device 2′ having an optical fiber with a single mode core 6, a nanocircuit 10 on the tip of the optical fiber, and an output multicore optical fiber 12 with an output port 14. 1 is a schematic diagram showing a preferred embodiment; FIG. This embodiment provides electronic or nonlinear optical dynamic control by a tunable nanocircuit 10 on the tip of an optical fiber whose input is from a single-mode core 6 for input to the tunable nanocircuit. have As shown in FIGS. 13D and 13E, multicore optical fiber 12 is closely coupled with nanocircuit 10 to receive inputs from the nanocircuit for multiple outputs 14 from the multicore optical fiber. As shown in the structure in FIG. 13F and the enlarged view in FIG. 13G, depending on the incident vertical/horizontal polarization, specific output ports of the structure can be selectively excited, thereby providing coherent signal and output selection. Other means of manipulating the can be provided.

図13Bは、シングルモードコア6を有する調整可能な光ファイバENZナノ回路デバイス2’’の他の例示的な実施形態を示す概略図である。この実施形態は、入力が調整可能なナノ回路への入力のためのシングルモードコア6からのものである、光ファイバ先端上の調整可能なナノ回路10による電子的又は非線形光学的な動的制御を有する。マルチコア光ファイバ10は、ナノ回路と密接に結合して、マルチコア光ファイバ12とは1つ以上の異なる特性を有する複数の出力14のためにナノ回路から入力を受け取る。このような実施形態は、光スイッチング、波長逆多重化、共振干渉、又はルーティング/ブール論理、及び他の用途に有用であることが想定される。 13B is a schematic diagram illustrating another exemplary embodiment of a tunable optical fiber ENZ nanocircuit device 2'' having a single mode core 6. FIG. This embodiment provides electronic or nonlinear optical dynamic control by a tunable nanocircuit 10 on the tip of an optical fiber whose input is from a single-mode core 6 for input to the tunable nanocircuit. have The multicore optical fiber 10 is intimately coupled with the nanocircuit to receive input from the nanocircuit for multiple outputs 14 having one or more different characteristics than the multicore optical fiber 12 . Such embodiments are envisioned to be useful for optical switching, wavelength demultiplexing, resonant interference, or routing/Boolean logic, and other applications.

図13Cは、ナノ回路に複数の入力を提供するためのマルチコアファイバ6’を有する例示的な調整可能な光ファイバENZナノ回路デバイス2’’’を示す概略図である。マルチコアファイバ6’を通った複数の入力光は、ナノ回路10’(RGWN又は方向性結合器など)に結合され、線形又は非線形相互作用を介してコヒーレントに干渉し、伝搬光の分散及び位相/振幅の変調の高度な制御をもたらすことが可能である。ナノ回路は、コア6’から複数の入射光を受けるように構成することができる。時間分解ポンププローブ装置により、マルチコアファイバを通して非線形動態をプローブすることができる。ファイバナノ回路の電気的制御のために、高速エレクトロニクス及び検出器を使用して、数十GHzと高い動作速度で出力信号を監視することができる。本実施形態では、入力がマルチコアファイバからのものである、光ファイバ先端の調整可能なナノ回路による電子的又は非線形光学的な動的制御を有する。出力マルチコア光ファイバ12は、ナノ回路と密接に結合して、異なる性質の複数の出力のためにナノ回路から入力を受け取る。光は、ナノ回路の複数の出力ポートから放出され、例えば、分光器又は検出器による光収集のために出力マルチコア光ファイバ12に直接結合される。このようなナノ回路機能を実現するために、ENZ材料を用いて電気的及び非線形光学的な調整能力を実現することができる。複数の出力ポートの出力信号は、本明細書で言及するように、バイアスを印加することによって、又は超高速フェムト秒パルスを発することによって、制御することができる。同様の検出方式は、図13A及び図13Bに示すように、出力マルチコア光ファイバを通して光を収集するために使用することができる。偏波依存性結合を有するデバイス2も、ナノ回路を制御する手段として使用することができる。 FIG. 13C is a schematic diagram showing an exemplary tunable fiber optic ENZ nanocircuit device 2''' having a multi-core fiber 6' for providing multiple inputs to the nanocircuit. Multiple input lights through multicore fiber 6' are coupled into nanocircuit 10' (such as an RGWN or a directional coupler) and coherently interfere via linear or nonlinear interactions, resulting in dispersion and phase/ It is possible to provide a high degree of control over amplitude modulation. The nanocircuit can be configured to receive multiple incident lights from the core 6'. A time-resolved pump-probe device allows nonlinear dynamics to be probed through a multicore fiber. For the electrical control of fiber nanocircuits, high-speed electronics and detectors can be used to monitor output signals at operating speeds as high as tens of GHz. In this embodiment, the input is from a multicore fiber, with electronic or nonlinear optical dynamic control by a tunable nanocircuit at the tip of the optical fiber. The output multicore optical fiber 12 is closely coupled with the nanocircuit to receive input from the nanocircuit for multiple outputs of different nature. Light is emitted from multiple output ports of the nanocircuit and is coupled directly to an output multicore optical fiber 12 for light collection by, for example, a spectrometer or detector. To achieve such nanocircuit functionality, ENZ materials can be used to achieve electrical and nonlinear optical tunability. The output signals of the multiple output ports can be controlled by applying a bias or by emitting ultrafast femtosecond pulses, as referred to herein. A similar detection scheme can be used to collect light through an output multicore optical fiber, as shown in FIGS. 13A and 13B. Devices 2 with polarization dependent coupling can also be used as a means of controlling nanocircuits.

分子/材料の発光及び非線形光学プロセスは、電磁場強度に強く依存し、プラズモニックモードの高度な閉じ込めにより、プラズモニック構造によって大幅に向上され得ることが知られている。最近の研究では、オンチッププラズモニックスロット導波路を用いることにより、分子のラマン放出が増強されることが示されている。この放射の増強は、電界及びパーセル因子の増強、光及び物質の相互作用量の増加、並びにラマン信号の収集効率の増加に起因する。また、近年、プラズモニックパーセル効果、並びに量子エミッタとENZ材料との結合に関する研究がいくつか報告されている。本発明は、ENZ/プラズモニック材料の放射増強能力を高めるために、現在の理解を超えて、ENZナノ層の場閉じ込め及び光ファイバ先端ナノ回路上のプラズモニックスロット導波路の長い相互作用長をさらに利用するものである。 It is known that the emission and nonlinear optical processes of molecules/materials strongly depend on the electromagnetic field strength and can be greatly enhanced by plasmonic structures due to the high degree of confinement of plasmonic modes. Recent studies have shown that the use of on-chip plasmonic slot waveguides enhances molecular Raman emission. This emission enhancement is due to an enhancement of the electric field and Purcell factor, an increase in the amount of light and matter interaction, and an increase in Raman signal collection efficiency. Also, in recent years, some studies have been reported on the plasmonic Purcell effect and the coupling of quantum emitters and ENZ materials. The present invention goes beyond current understanding to combine the field confinement of ENZ nanolayers and the long interaction length of plasmonic slot waveguides on optical fiber tip nanocircuits to enhance the radiation enhancement capabilities of ENZ/plasmonic materials. It is used further.

図14A~14Cは、ラマン及び光センシングを増強するための光ファイバプラズモニック導波路センサナノ回路10Fの一例を示す図である。このようなナノ回路は、分子とのより良い相互作用によって本明細書のプラズモニック導波路の統合を支援し、上記のナノ回路のうちの1つ以上から入力を受け取ることができる。図14Aは、光ファイバプラズモニック導波路センサの概略図である。図14Bは、図14Aのナノ構造の拡大図である。図14Cは、長い相互作用長を有する光ファイバに作製されたセンサナノ回路10Fの一例を示す図である。このセンサは、上述したように、金属層16を堆積させ、ミリングすることで、導波路を形成することができる。しかしながら、このナノ回路では、導波路は、記述された他の導波路のような貫通経路ではなく、金属層から出る前に、「デッドエンド」として終了する。このような端部46は、導波路30内のエネルギーを反射する。本発明は、図14A及び図14Bに示す、光ファイバ先端上のTiN/TCO ENZコーティングプラズモニックスロット導波路を使用して、ENZ領域におけるエミッタからの増強された自発/ラマン放出を使用することが可能である。ALD技術を使用してENZ薄膜を光ファイバのファセット上のプラズモニックスロット導波路上に堆積させることができ、分子/エミッタを光ファイバファセットに積層させることができる。光50は、コア6を通して結合され、プラズモニックスロット導波路30内のプラズモニックモードを励起することができる。伝搬するプラズモニック光は、スロット20内の分子/エミッタと相互作用することができ、放出された光52は、コアに結合して戻ることができる。ラマン信号/スペクトルは、ビームスプリッタを使用してファイバの反射で収集することができる。伝搬損失のバランスを取りながら十分な光及び物質の相互作用長を確保するために、外接直径が40μm未満の図14Cに示すような螺旋状の導波路などの適度な長さを有する新規構造を、より強い光反射のために導波路の端部46を終端とするようにファイバコアファセット上に作製することが可能である。ENZ層を有するナノ回路と有しないナノ回路の放出の測定値を比較し、ENZによる放出の増強を明らかにする。 14A-14C illustrate an example of a fiber optic plasmonic waveguide sensor nanocircuit 10F for enhancing Raman and optical sensing. Such nanocircuits support the integration of the plasmonic waveguides herein by better interaction with molecules and can receive input from one or more of the nanocircuits described above. FIG. 14A is a schematic diagram of a fiber optic plasmonic waveguide sensor. FIG. 14B is an enlarged view of the nanostructures of FIG. 14A. FIG. 14C shows an example of a sensor nanocircuit 10F fabricated in an optical fiber with long interaction length. The sensor can be waveguided by depositing and milling a metal layer 16 as described above. However, in this nanocircuit, the waveguide terminates as a "dead end" before exiting the metal layer, rather than a through path like the other waveguides described. Such ends 46 reflect energy within waveguide 30 . The present invention utilizes enhanced spontaneous/Raman emission from the emitter in the ENZ region using a TiN/TCO ENZ coated plasmonic slot waveguide on the tip of an optical fiber, shown in FIGS. 14A and 14B. It is possible. ENZ thin films can be deposited on plasmonic slot waveguides on the facets of optical fibers using ALD techniques, and the molecules/emitters can be stacked on the optical fiber facets. Light 50 can be coupled through core 6 to excite plasmonic modes in plasmonic slot waveguide 30 . Propagating plasmonic light can interact with the molecules/emitters in slot 20 and emitted light 52 can couple back to the core. The Raman signal/spectrum can be collected in reflection of the fiber using a beamsplitter. To ensure sufficient light-matter interaction length while balancing propagation losses, novel structures with moderate lengths, such as spiral waveguides as shown in FIG. , can be fabricated on the fiber core facet to terminate at the end 46 of the waveguide for stronger optical reflection. Emission measurements of nanocircuits with and without an ENZ layer are compared to reveal enhancement of emission by ENZ.

放出の増強は、ENZ表面付近の高い局所状態密度から生じ、その増強はENZ共振に効率的に結合されるエミッタの双極子配向に大きく依存する。プラズモニックスロット導波路における同様の結合方式は、ENZプラズモニックナノ回路を用いたエミッタ(量子ドット、アップコンバージョンナノ結晶、レーザ材料など)のフォトルミネセンス及びシミュレート/自然放出の増強に用いることができる。光ファイバナノ回路における量子放出の増強は、オンファイバ量子源及びインファイバラマンセンシングの高度な応用につながる可能性がある。 Emission enhancement arises from a high local density of states near the ENZ surface and is highly dependent on the dipole orientation of the emitter, which is efficiently coupled to the ENZ resonance. Similar coupling schemes in plasmonic slot waveguides can be used for enhanced photoluminescence and simulated/spontaneous emission of emitters (quantum dots, upconversion nanocrystals, laser materials, etc.) using ENZ plasmonic nanocircuits. can. Quantum emission enhancement in optical fiber nanocircuits may lead to advanced applications of on-fiber quantum sources and in-fiber Raman sensing.

上述した発明の1つ以上の態様を利用した他の実施形態及びさらなる実施形態は、特許請求の範囲に定義された開示された発明から逸脱することなく考案することができる。例えば、他の実施形態は、他の形状及びタイプの光ファイバ、光ファイバ上又は光ファイバ内に膜を形成するための他のENZ材料、他のMOS構造及び材料、他の厚さ及び周波数、並びに特許請求の範囲内で上記に具体的に開示されたもの以外の他の変形を含むことができる。 Other and further embodiments utilizing one or more aspects of the above-described invention can be devised without departing from the disclosed invention as defined in the claims. For example, other embodiments include other shapes and types of optical fibers, other ENZ materials for forming films on or within optical fibers, other MOS structures and materials, other thicknesses and frequencies, And other variations than those specifically disclosed above may be included within the scope of the claims.

本発明は、好ましい実施形態及び他の実施形態との関連で説明されており、本発明のすべての実施形態が説明されているわけではない。記載された実施形態に対する明らかな修正及び変更は、当業者であれば利用可能である。開示された実施形態及び開示されていない実施形態は、出願人によって考案された発明の範囲又は適用性を制限又は限定するためのものではなく、むしろ、特許法に準拠して、出願人は、以下の特許請求の範囲又は均等な範囲内にあるすべてのそのような修正及び改良を完全に保護することを意図している。 The invention has been described in connection with preferred and other embodiments, and not all embodiments of the invention have been described. Obvious modifications and alterations to the described embodiments are available to those skilled in the art. The disclosed and undisclosed embodiments are not intended to limit or limit the scope or applicability of any invention devised by applicant; rather, pursuant to patent law, applicant: It is intended to fully protect all such modifications and improvements that come within the scope of the following claims or the equivalents.

関連出願への相互参照
本出願は、2020年5月29日に提出された、名称が「調整可能なナノフォトニック導波路システム及び方法」である米国仮特許出願第63/032,050号の権利を主張し、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。
CROSS-REFERENCES TO RELATED APPLICATIONS This application is based on U.S. Provisional Patent Application Serial No. 63/032,050, entitled "Tunable Nanophotonic Waveguide Systems and Methods," filed May 29, 2020. claimed, the contents of which are incorporated herein by reference.

本発明によるナノ回路システムの一実施形態の概略図である。1 is a schematic diagram of one embodiment of a nanocircuit system according to the present invention; FIG. 光ファイバのファセット(以下、「先端」ともいう)上に集積型ナノ回路を形成するための作製プロセスの概略図である。1 is a schematic illustration of a fabrication process for forming an integrated nanocircuit on a facet (hereinafter also referred to as "tip") of an optical fiber; FIG. アンテナを有するスロットプラズモニック導波路を有する例示的な光ファイバナノ回路の概略図である。1 is a schematic diagram of an exemplary fiber optic nanocircuit having a slot plasmonic waveguide with an antenna; FIG. 光ファイバモードをプラズモニックスロット導波路モードに結合させるための例示的なアンテナの概略図である。1 is a schematic diagram of an exemplary antenna for coupling an optical fiber mode to a plasmonic slot waveguide mode; FIG. スロット内の光の電界成分を示している、図3Aに示したプラズモニックスロット導波路モードの垂直プロファイルの概略図である。3B is a schematic diagram of the vertical profile of the plasmonic slot waveguide mode shown in FIG. 3A showing the electric field component of the light in the slot; FIG. 光学ファセット上の例示的なプラズモニックスロット導波路ナノ回路のSEM像である。SEM image of an exemplary plasmonic slot waveguide nanocircuit on an optical facet. 図4Aの導波路の拡大SEM像である。4B is an enlarged SEM image of the waveguide of FIG. 4A; 光学ファセット上の他の例示的なプラズモニックスロット導波路のSEM像である。FIG. 4B is an SEM image of another exemplary plasmonic slot waveguide on an optical facet; FIG. 図4Cの導波路の拡大SEM像である。4D is an enlarged SEM image of the waveguide of FIG. 4C; 導波路ナノ回路の光学像及びSEM像を重ね合わせた図である。FIG. 2 is a superimposed optical and SEM image of a waveguide nanocircuit; 導波路と波長1550nmにおける出力とのSEM像である。SEM image of the waveguide and the output at a wavelength of 1550 nm. 導波路と波長1630nmにおける出力とのSEM像である。SEM images of the waveguide and the output at a wavelength of 1630 nm. 1500~1630nmの波長範囲における単一の導波路の例示的な結合効率を示すチャートである。4 is a chart showing exemplary coupling efficiencies for a single waveguide in the wavelength range of 1500-1630 nm; 光ファイバ上のマルチチャネル導波路ナノ回路のSEM像である。SEM images of multi-channel waveguide nanocircuits on optical fibers. 4つの出力信号を示す、測定された遠視野光学像である。4 is a measured far-field optical image showing four output signals; 光ファイバのコア及び出力領域付近の、測定された遠視野光学像の拡大図である。FIG. 4 is a close-up of a measured far-field optical image near the core and output region of an optical fiber; 図6Aのマルチチャネル導波路ナノ回路の拡大SEM像である。FIG. 6B is a magnified SEM image of the multi-channel waveguide nanocircuit of FIG. 6A. 出力アンテナポートを示している、図6Dのマルチチャネル導波路ナノ回路の拡大SEM像である。FIG. 6C is an enlarged SEM image of the multi-channel waveguide nanocircuit of FIG. 6D showing the output antenna ports. 光ファイバのコア付近の入力アンテナを示している、図6Eのマルチチャネル導波路ナノ回路の拡大SEM像である。6E is a magnified SEM image of the multi-channel waveguide nanocircuit of FIG. 6E showing the input antenna near the core of the optical fiber. 偏波保持フォトニック結晶ファイバ(PM-PCF)上に形成された、図6Aの回路と同様のマルチチャネル導波路ナノ回路のSEM像である。6B is an SEM image of a multi-channel waveguide nanocircuit similar to that of FIG. 6A formed on a polarization-maintaining photonic crystal fiber (PM-PCF). 図6Gのマルチチャネル導波路ナノ回路の拡大SEM像である。FIG. 6G is a magnified SEM image of the multi-channel waveguide nanocircuit of FIG. 6G. 光ファイバのコア付近の入力アンテナを示している、図6Hのマルチチャネル導波路ナノ回路の拡大SEM像である。6H is a magnified SEM image of the multi-channel waveguide nanocircuit of FIG. 6H showing the input antenna near the core of the optical fiber. 集積型方向性結合器ナノ回路が作製される前の光ファイバファセットのSEM像である。SEM images of optical fiber facets before the fabrication of integrated directional coupler nanocircuits. 例示的なプラズモニック方向性結合器が作製された後の光ファイバファセットの拡大図である。FIG. 4B is a close-up view of the fiber optic facet after the exemplary plasmonic directional coupler has been fabricated. 図7Bのプラズモニック方向性結合器をさらに拡大した図である。Figure 7C is a further enlarged view of the plasmonic directional coupler of Figure 7B; 1550nmにおける2つの出力を示す、測定された遠視野光学像である。Measured far-field optical images showing two outputs at 1550 nm. 1630nmにおける2つの出力を示す、測定された遠視野光学像である。Measured far-field optical images showing two outputs at 1630 nm. 他の例示的な集積型方向性結合器ナノ回路を有するパンダ型(PS)光ファイバファセットのSEM像である。FIG. 11 is an SEM image of a panda-type (PS) fiber optic facet with another exemplary integrated directional coupler nanocircuit; FIG. 図7Fの例示的なプラズモニック方向性結合器の波長1630nmにおける遠視野測定の重ね合わせ画像である。FIG. 7F is a superimposed image of far-field measurements at a wavelength of 1630 nm for the exemplary plasmonic directional coupler of FIG. 7F. 光学フィルタなしのスーパーコンティニューム(SC)光源レーザを用いた図7Fのプラズモニック方向性結合器の遠視野像である。7F is a far-field image of the plasmonic directional coupler of FIG. 7F using a supercontinuum (SC) source laser without optical filters. 入射光に対して交差偏波で検出された波長1480nmで測定された遠視野光学像である。Far-field optical image measured at a wavelength of 1480 nm detected with cross-polarization to the incident light. 入射光に対して交差偏波で検出された波長1550nmで測定された遠視野光学像である。Far-field optical image measured at a wavelength of 1550 nm detected with cross-polarization to the incident light. 入射光に対して交差偏波で検出された波長1650nmで測定された遠視野光学像である。Far-field optical images measured at a wavelength of 1650 nm detected with cross-polarization to the incident light. 例示的な偏波スプリッタナノ回路のSEM像である。FIG. 4 is an SEM image of an exemplary polarization splitter nanocircuit; FIG. 図8Aの偏波スプリッタの入力アンテナの拡大SEM像である。8B is an enlarged SEM image of the input antenna of the polarization splitter of FIG. 8A; 水平に配列された入力アンテナを有する導波路を通して伝送される水平入射偏波を示している、図8Aの偏波スプリッタの測定された遠視野光学鏡像である。8B is a measured far-field optical mirror image of the polarization splitter of FIG. 8A showing horizontal incident polarization transmitted through a waveguide with a horizontally aligned input antenna; FIG. 垂直に配列された入力アンテナを有する導波路を通して伝送される垂直入射偏波を示している、図8Aの偏波スプリッタの測定された遠視野光学鏡像である。8B is a measured far-field optical mirror image of the polarization splitter of FIG. 8A showing vertical incident polarization transmitted through a waveguide with a vertically aligned input antenna; FIG. 図8Aの偏波スプリッタに示された各導波路について、水平偏波入力及び垂直偏波入力を有するそれぞれの水平又は垂直配列に応じた伝送強度を示すチャートである。8B is a chart showing the transmission strength as a function of horizontal or vertical alignment, respectively, with horizontal and vertical polarization inputs for each waveguide shown in the polarization splitter of FIG. 8A; 図8Aの偏波スプリッタに示された各導波路について、水平面又は垂直面にない回転偏波入力を有するそれぞれの水平又は垂直配列に応じた伝送強度を示すチャートである。8B is a chart showing the transmission strength as a function of respective horizontal or vertical alignments with rotationally polarized input not in the horizontal or vertical plane for each waveguide shown in the polarization splitter of FIG. 8A; 平面基板上に作製された例示的な共振導波ネットワーク(RGWN)ナノ回路のSEM像を示す図である。FIG. 10 is an SEM image of an exemplary resonant waveguide network (RGWN) nanocircuit fabricated on a planar substrate; 波長1570nmにおける出力を示している、共振サイズ7.5μmのRGWNの測定光学像である。4 is a measured optical image of an RGWN with a resonance size of 7.5 μm, showing the output at a wavelength of 1570 nm. 図8BのRGWNの波長1550nmにおける出力の測定光学像である。FIG. 8C is a measured optical image of the output of the RGWN of FIG. 8B at a wavelength of 1550 nm. 作製されたサイズの異なるRGWNのSEM像である。Fig. 4 is an SEM image of fabricated RGWNs of different sizes; 共振器サイズが300nmの超小型RGWNナノ回路の例示的な実施形態に関するSEM像である。SEM image of an exemplary embodiment of an ultra-small RGWN nanocircuit with a cavity size of 300 nm. 図10AのRGWNの測定光学像である。10B is a measurement optical image of the RGWN of FIG. 10A; 共振器サイズが7.5μmのRGWNの他の例示的な実施形態のSEM像である。FIG. 4B is an SEM image of another exemplary embodiment of an RGWN with a cavity size of 7.5 μm; FIG. 図10CのRGWNのポート1についての例示的な測定スペクトル及びシミュレーションスペクトルを示すチャートである。10D is a chart showing exemplary measured and simulated spectra for Port 1 of the RGWN of FIG. 10C; 図10CのRGWNのポート2についての例示的な測定スペクトル及びシミュレーションスペクトルを示すチャートである。10D is a chart showing exemplary measured and simulated spectra for port 2 of the RGWN of FIG. 10C; 図10CのRGWNのポート4についての例示的な測定スペクトル及びシミュレーションスペクトルを示すチャートである。10D is a chart showing exemplary measured and simulated spectra for port 4 of the RGWN of FIG. 10C; 調整可能なRGWNナノ回路の一例の概略図である。1 is a schematic diagram of an example of a tunable RGWN nanocircuit; FIG. 対応する透明導電性酸化物(TCO)導波路の概略図である。Fig. 2 is a schematic diagram of a corresponding transparent conducting oxide (TCO) waveguide; バイアスを印加した場合のシミュレーション応答を示す図である。FIG. 11 shows a simulated response when bias is applied; 超高速のスイッチング能力を示している、バイアスを印加していない場合のシミュレーション応答を示す図である。Fig. 10 shows a simulation response with no bias applied, demonstrating ultra-fast switching capability; 非線形光スイッチングのための例示的な調整可能なENZ/プラズモニック方向性結合器ナノ回路の概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of an exemplary tunable ENZ/plasmonic directional coupler nanocircuit for nonlinear optical switching; 図11Aの方向性結合器の例示的な対応するTCO導波路の概略図である。11B is a schematic diagram of an exemplary corresponding TCO waveguide of the directional coupler of FIG. 11A; FIG. 低励起パワーのENZ/プラズモニック方向性結合器のシミュレートされたフィールドプロファイルを示す図である。Fig. 3 shows a simulated field profile of a low pump power ENZ/plasmonic directional coupler; 高励起パワーのENZ/プラズモニック方向性結合器のシミュレートされたフィールドプロファイルを示す図である。Fig. 3 shows a simulated field profile of an ENZ/plasmonic directional coupler with high pump power; シングルモードコアを有する光ファイバ、光ファイバ先端上のナノ回路、及びマルチコア光ファイバを有する、調整可能な光ファイバENZナノ回路の例示的な実施形態を示す概略図である。1A-1C are schematic diagrams illustrating exemplary embodiments of a tunable optical fiber ENZ nanocircuit having an optical fiber with a single-mode core, a nanocircuit on the tip of the optical fiber, and a multi-core optical fiber. シングルモードコアを有する調整可能な光ファイバENZナノ回路の他の例示的な実施形態を示す概略図である。FIG. 10 is a schematic diagram illustrating another exemplary embodiment of a tunable optical fiber ENZ nanocircuit with a single mode core; ナノ回路に複数の入力を提供するためのマルチコアファイバを有する例示的な調整可能な光ファイバENZナノ回路を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing an exemplary tunable fiber optic ENZ nanocircuit with multi-core fibers for providing multiple inputs to the nanocircuit; 例示的なマルチコア光ファイバの概略図である。1 is a schematic diagram of an exemplary multi-core optical fiber; FIG. 図13Dのマルチコア光ファイバの拡大概略図である。13D is an enlarged schematic diagram of the multi-core optical fiber of FIG. 13D; FIG. 図13Dのマルチコア光ファイバと密接に結合できる例示的なナノ回路Exemplary nanocircuits that can be intimately coupled with the multicore optical fiber of FIG. 13D を示す概略図である。1 is a schematic diagram showing the . 図13Fのナノ回路の一部拡大概略図である。13F is a partially enlarged schematic diagram of the nanocircuit of FIG. 13F; FIG. 光ファイバプラズモニック導波路センサの概略図である。1 is a schematic diagram of a fiber optic plasmonic waveguide sensor; FIG. 図14Aのナノ構造の拡大図である。14B is an enlarged view of the nanostructures of FIG. 14A. FIG. 長い相互作用長を有する光ファイバに作製された構造の一例を示す図である。FIG. 3 shows an example of a structure fabricated in an optical fiber with long interaction length;

Claims (20)

ファセットが形成された第1の光ファイバと、
前記ファセット上に一体的に形成されたナノ回路と
を備え、
前記ナノ回路は、
前記第1の光ファイバからの光エネルギーを前記ナノ回路におけるプラズモニックエネルギーと直接結合するように構成されたナノ結合器と、
前記ナノ回路に形成され、前記ナノ結合器に結合され、前記ナノ回路におけるプラズモニックエネルギーを伝導するように構成された少なくとも1つの導波路とを備える、ナノ回路デバイス。
a first optical fiber faceted;
nanocircuits integrally formed on the facets;
The nanocircuit is
a nanocoupler configured to directly couple optical energy from the first optical fiber with plasmonic energy in the nanocircuit;
at least one waveguide formed in said nanocircuit, coupled to said nanocoupler and configured to conduct plasmonic energy in said nanocircuit.
前記第1の光ファイバは、前記ナノ回路に複数の入力を提供するように構成されたマルチコアファイバである、請求項1に記載のデバイス。 2. The device of claim 1, wherein the first optical fiber is a multi-core fiber configured to provide multiple inputs to the nanocircuit. 前記ナノ回路に結合され、前記ナノ回路から出力を受けて光エネルギーを放出するように構成された第2の光ファイバをさらに備える、請求項1に記載のデバイス。 2. The device of Claim 1, further comprising a second optical fiber coupled to said nanocircuit and configured to receive power from said nanocircuit and emit optical energy. 前記第2の光ファイバは、複数の出力ポートを有するマルチコアファイバである、請求項3に記載のデバイス。 4. The device of claim 3, wherein said second optical fiber is a multi-core fiber having multiple output ports. 前記第1の光ファイバは、前記ナノ回路に複数の入力を提供するように構成されたマルチコアファイバである、請求項4に記載のデバイス。 5. The device of claim 4, wherein the first optical fiber is a multicore fiber configured to provide multiple inputs to the nanocircuit. 前記導波路は、金属層に形成され、金属層上に堆積した誘電体層と、前記誘電体層上に堆積した透明導電酸化物層とをさらに備え、印加されたバイアスにより、前記ナノ回路の位相及び振幅を変調させるために、前記誘電体層及び前記透明導電酸化物層の共振を変化させる、請求項1に記載のデバイス。 The waveguide is formed in a metal layer and further comprises a dielectric layer deposited on the metal layer and a transparent conductive oxide layer deposited on the dielectric layer, wherein an applied bias causes the nanocircuit to 2. The device of claim 1, wherein the resonance of said dielectric layer and said transparent conducting oxide layer is changed to modulate phase and amplitude. 前記ナノ回路は出力を備え、前記出力からのエネルギーの量は前記ナノ回路に印加された電気バイアスに依存する、請求項1に記載のデバイス。 2. The device of claim 1, wherein the nanocircuit comprises an output, the amount of energy from the output being dependent on the electrical bias applied to the nanocircuit. 前記ナノ回路は出力を備え、前記出力からのエネルギーの量は前記ナノ回路への光エネルギーの周波数に依存する、請求項1に記載のデバイス。 2. The device of claim 1, wherein the nanocircuit comprises an output, the amount of energy from the output being dependent on the frequency of light energy to the nanocircuit. 前記ナノ回路は複数の導波路を備え、前記複数の導波路のうちの各導波路には入力ナノ結合器及び出力ナノ結合器が形成され、前記出力ナノ結合器は前記導波路からエネルギーを放出するように構成されている、請求項1に記載のデバイス。 The nanocircuit comprises a plurality of waveguides, each waveguide of the plurality of waveguides having an input nanocoupler and an output nanocoupler formed therein, the output nanocoupler emitting energy from the waveguides. 11. The device of claim 1, configured to. 前記複数の導波路のうちの少なくとも1つの導波路は、前記複数の導波路のうちの少なくとも1つの他の導波路と異なる長さを有する、請求項1に記載のデバイス。 2. The device of claim 1, wherein at least one waveguide of said plurality of waveguides has a different length than at least one other waveguide of said plurality of waveguides. 前記ナノ回路は方向性結合器を備え、前記方向性結合器は、
入力ナノ結合器及び出力ナノ結合器を有する第1の導波路と、
入力ナノ結合器及び出力ナノ結合器を有する第2の導波路と
を備え、
前記第2の導波路は、前記第1及び第2の導波路の間でエバネッセント場を結合するように構成された前記第1の導波路の長さに平行に近接して位置合わせされた長さを有する、
請求項1に記載のデバイス。
The nanocircuit comprises a directional coupler, the directional coupler comprising:
a first waveguide having an input nanocoupler and an output nanocoupler;
a second waveguide having an input nanocoupler and an output nanocoupler;
The second waveguide has a length aligned closely parallel to the length of the first waveguide configured to couple an evanescent field between the first and second waveguides. have
A device according to claim 1 .
前記第1の導波路の入力ナノ結合器に提供された光エネルギーの周波数の変化は、前記第2の導波路の出力ナノ結合器と比較して、前記第1の導波路の出力ナノ結合器の光エネルギーの放出を変化させる、請求項11に記載のデバイス。 A change in the frequency of optical energy provided to the input nanocoupler of the first waveguide relative to the output nanocoupler of the second waveguide is the output nanocoupler of the first waveguide. 12. The device of claim 11, which alters the emission of light energy of the . 前記ナノ回路は偏波スプリッタを備え、前記偏波スプリッタは、
出力ナノ結合器、及び第1の角度で第1の入射偏光で配向される入力ナノ結合器を有する第1の導波路と、
出力ナノ結合器、及び第2の角度で第2の入射偏光で配向される入力ナノ結合器を有する第2の導波路と
を備え、
前記第1の導波路及び前記第2の導波路は、入射偏波の偏波角に応じて異なるエネルギーレベルを伝導する、請求項1に記載のデバイス。
The nanocircuit comprises a polarization splitter, the polarization splitter comprising:
a first waveguide having an output nanocoupler and an input nanocoupler oriented with a first incident polarization at a first angle;
a second waveguide having an output nanocoupler and an input nanocoupler oriented with a second incident polarization at a second angle;
2. The device of claim 1, wherein the first waveguide and the second waveguide conduct different energy levels depending on the polarization angle of incident polarization.
前記ナノ回路は共振導波ネットワークを備え、
前記共振導波ネットワークは、複数の導波路を備え、前記複数の導波路のそれぞれは、前記導波路の各端部にナノ結合器を有し、
前記ナノ結合器の少なくとも1つは、光ファイバから光エネルギーを受ける入力ナノ結合器として構成され、他の複数のナノ結合器は、出力ナノ結合器として構成され、
前記導波路は、前記導波路を通るプラズモン波のコヒーレント干渉により複数の共振を生じさせる、請求項1に記載のデバイス。
the nanocircuit comprises a resonant waveguide network;
said resonant waveguide network comprising a plurality of waveguides, each of said plurality of waveguides having a nanocoupler at each end of said waveguide;
at least one of said nanocouplers configured as an input nanocoupler for receiving optical energy from an optical fiber and a plurality of other nanocouplers configured as output nanocouplers;
2. The device of claim 1, wherein the waveguide produces multiple resonances due to coherent interference of plasmon waves passing through the waveguide.
前記出力ナノ結合器を通った光エネルギーの放出は、前記入力ナノ結合器への入射光の周波数に依存する、請求項14に記載のデバイス。 15. The device of claim 14, wherein the emission of light energy through said output nanocoupler depends on the frequency of light incident on said input nanocoupler. 前記ナノ回路はプラズモニック導波路センサを備え、
前記少なくとも1つの導波路は、入力ナノ結合器と端部とを備え、前記端部は導波路におけるプラズモニックエネルギーを反射し、反射されたプラズモニックエネルギーの少なくとも一部は、前記光ファイバに戻る光エネルギーに変換される、請求項1に記載のデバイス。
the nanocircuit comprises a plasmonic waveguide sensor;
The at least one waveguide comprises an input nanocoupler and an end, the end reflecting plasmonic energy in the waveguide and at least a portion of the reflected plasmonic energy returning to the optical fiber. 3. The device of claim 1, wherein the device is converted to light energy.
ファセットが形成された光ファイバを提供することと、
前記ファセット上に金属層を堆積させることと、
導波路を形成するために、前記ファセット上の金属層にスロットをミリングすることと、
前記ファセット上の前記金属層にナノ結合器をミリングし、前記光ファイバからの光エネルギーを前記導波路におけるプラズモニックエネルギーと直接結合させるように構成することと
を含む、ナノ回路デバイスの製造方法。
providing a faceted optical fiber;
depositing a metal layer on the facet;
milling slots in a metal layer on the facet to form a waveguide;
milling a nanocoupler into the metal layer on the facet and configured to directly couple optical energy from the optical fiber with plasmonic energy in the waveguide.
前記金属層上に誘電体層を堆積させることと、
前記誘電体層上に透明導電性酸化物層を堆積させ、印加されたバイアスにより、前記ナノ回路の位相及び振幅を変調させるために、前記誘電体層及び前記透明導電性酸化物層の共振を変化させることと
をさらに含む、請求項17に記載の方法。
depositing a dielectric layer on the metal layer;
depositing a transparent conducting oxide layer on the dielectric layer; applying a bias to cause resonance of the dielectric layer and the transparent conducting oxide layer to modulate the phase and amplitude of the nanocircuit; 18. The method of claim 17, further comprising: varying.
前記金属層上に透明導電性酸化物層を堆積させることをさらに含む、請求項17に記載の方法。 18. The method of claim 17, further comprising depositing a transparent conductive oxide layer over said metal layer. ミリングは、集束イオンビーム加工及び電子ビームリソグラフィーのうちの少なくとも1つを使用することを含む、請求項17に記載の方法。
18. The method of claim 17, wherein milling comprises using at least one of focused ion beam machining and electron beam lithography.
JP2022573561A 2020-05-29 2021-05-28 Tunable nanocircuit and waveguide systems and methods on optical fibers Pending JP2023528824A (en)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202063032050P 2020-05-29 2020-05-29
US63/032,050 2020-05-29
US17/333,762 US11525959B2 (en) 2020-05-29 2021-05-28 Tunable nanocircuit and waveguide system and method on optical fiber
PCT/US2021/034945 WO2021243266A1 (en) 2020-05-29 2021-05-28 Tunable nanocircuit and waveguide system and method on optical fiber
US17/333,762 2021-05-28

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2023528824A true JP2023528824A (en) 2023-07-06

Family

ID=78706087

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2022573561A Pending JP2023528824A (en) 2020-05-29 2021-05-28 Tunable nanocircuit and waveguide systems and methods on optical fibers

Country Status (7)

Country Link
US (2) US11525959B2 (en)
EP (1) EP4158398A1 (en)
JP (1) JP2023528824A (en)
KR (1) KR20230016649A (en)
CN (1) CN115698791A (en)
CA (1) CA3181227A1 (en)
WO (1) WO2021243266A1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4158398A1 (en) * 2020-05-29 2023-04-05 Baylor University Tunable nanocircuit and waveguide system and method on optical fiber

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102610923B (en) 2011-09-28 2015-02-04 深圳光启高等理工研究院 Negative magnetic conductivity metamaterial
WO2013033591A1 (en) 2011-08-31 2013-03-07 President And Fellows Of Harvard College Amplitude, phase and polarization plate for photonics
US9696603B2 (en) 2014-01-10 2017-07-04 King's College London Plasmonic switch device and method
US9958707B2 (en) 2014-03-06 2018-05-01 California Institute Of Technology Systems and methods for implementing electrically tunable metasurfaces
US10475548B2 (en) 2014-05-23 2019-11-12 The Regents Of The University Of Michigan Ultra-thin doped noble metal films for optoelectronics and photonics applications
US9632216B2 (en) 2015-02-03 2017-04-25 Samsung Electronics Co., Ltd. Optical modulating device having gate structure
US10267956B2 (en) 2015-04-14 2019-04-23 California Institute Of Technology Multi-wavelength optical dielectric metasurfaces
US20160341859A1 (en) 2015-05-22 2016-11-24 Board Of Regents, The University Of Texas System Tag with a non-metallic metasurface that converts incident light into elliptically or circularly polarized light regardless of polarization state of the incident light
WO2017079882A1 (en) * 2015-11-09 2017-05-18 杨天 Optical fibre with end face having metal micro-nano structure, and preparation method and application method therefor
US10725290B2 (en) 2016-04-29 2020-07-28 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Device components formed of geometric structures
CN106199786B (en) * 2016-08-29 2019-05-03 上海交通大学 Metal micro-nano structure and end face have the optical fiber of metal micro-nano structure
US10509297B2 (en) 2017-01-27 2019-12-17 California Institute Of Technology Continuous beam steering with multiple-gated reconfigurable metasurfaces
WO2018208774A1 (en) 2017-05-08 2018-11-15 Cornell University System and method for reflective spectroscopy of a cell membrane using a fiber with a plasmonic metasurface
WO2019118646A1 (en) 2017-12-13 2019-06-20 President And Fellows Of Harvard College Endoscopic imaging using nanoscale metasurfaces
WO2019246012A1 (en) * 2018-06-19 2019-12-26 Baylor University Metasurface on optical fiber and related method
US10756503B2 (en) * 2018-07-17 2020-08-25 Lawrence Livermore National Security, Llc System and method for plasmonic control of short pulses in optical fibers
CN113785404B (en) * 2019-03-01 2022-10-28 加州理工学院 Waveguide integrated plasmon auxiliary field emission detector
US20210325241A1 (en) * 2020-04-17 2021-10-21 University Of Pittsburgh - Of The Commonwealth System Of Higher Education High temperature near-field probe for sensing and energy harvesting applications based upon thermal emission
EP4158398A1 (en) * 2020-05-29 2023-04-05 Baylor University Tunable nanocircuit and waveguide system and method on optical fiber

Also Published As

Publication number Publication date
KR20230016649A (en) 2023-02-02
CA3181227A1 (en) 2021-12-02
US11525959B2 (en) 2022-12-13
WO2021243266A1 (en) 2021-12-02
US20210373242A1 (en) 2021-12-02
EP4158398A1 (en) 2023-04-05
US20230111294A1 (en) 2023-04-13
CN115698791A (en) 2023-02-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Guo et al. Chip-integrated geometric metasurface as a novel platform for directional coupling and polarization sorting by spin–orbit interaction
Alaverdyan et al. Optical antennas based on coupled nanoholes in thin metal films
US7039315B2 (en) Optical routers based on surface plasmons
US7310468B2 (en) Photonic crystal waveguide, homogeneous medium waveguide, and optical device
Mitrofanov et al. Perfectly absorbing dielectric metasurfaces for photodetection
KR101467241B1 (en) Surface plasmon polariton circuit element with discontinuous waveguide with gap and apparatus and method for generating surface plasmon polariton mode
US9927559B2 (en) Wavelength-controlled directivity of all-dielectric optical nano-antennas
US10866360B2 (en) Broadband multifunctional efficient meta-gratings based on dielectric waveguide phase shifters
Mikhailov et al. Dispersing light with surface plasmon polaritonic crystals
US9150413B2 (en) Waveguide-integrated plasmonic resonator for integrated SERS measurements
Pan et al. Metallic nanowires for subwavelength waveguiding and nanophotonic devices
Udupi et al. Plasmonic coupler and multiplexer/demultiplexer based on nano-groove-arrays
US20230111294A1 (en) Tunable circuit and waveguide system and method on optical fiber
Jiang et al. Metasurface for reciprocal spin-orbit coupling of light on waveguiding structures
Asano et al. Investigation of a channel-add/drop-filtering device using acceptor-type point defects in a two-dimensional photonic-crystal slab
Thomaschewski et al. Ultra-compact branchless plasmonic interferometers
Lei et al. Multifunctional on-chip directional coupler for spectral and polarimetric routing of Bloch surface wave
Aparna et al. Plasmonic wavelength demultiplexer with mode conversion capabilities
KR101578614B1 (en) Apparatus and method for generating surface plasmon polariton signal using surface plasmon polariton circuit element with discontinuous waveguide with gap
Liu et al. Investigation of enhanced transmission and beaming effect through an InSb subwavelength grating with a slit at the terahertz range
Aparna et al. Plasmonic nanoslit-based dual-wavelength multiplexer
Li et al. Plasmonic leak-free focusing lens under radially polarized illumination
Zhou et al. Ultracompact beam splitters based on plasmonic nanoslits
Mynbaev et al. Plasmonic-based devices for optical communications
Kim Plasmonics on optical fiber platforms

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230131